DE3117673A1

DE3117673A1 - Verfahren zur steuerung des leistungsfaktors eines wechselstrominduktionsmotors und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Publication number: DE3117673A1
Application number: DE19813117673
Authority: DE
Inventors: Richard J. 06443 Madison Conn. Becker; Ray E. 06371 Old Lyme Conn. Davis jun.; Robart G. 06413 Clinton Conn. Foster; Richard H. 06442 Ivoryton Conn. Johnson; Earle J. 06413 Clinton Conn. Timothy; Michael J. 06370 Oakdale Conn. Westkamper
Original assignee: Chesebrough Ponds Inc
Current assignee: Chesebrough Ponds Inc
Priority date: 1980-05-06
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1982-01-28
Also published as: HK89084A; DE3117673C2; GB2084355B; BR8102783A; SG70384G; FR2493561B1; US4361792A; MX148941A; NL8102161A; FR2493561A1; CA1177879A; GB2084355A; BE888691A

Abstract

1 Eine digitale, selbstkalibrierende Leistungsfaktorsteuereinrichtung für einen Wechselstrominduktionsmotor. Während der Anlaufperiode wird eine erste, dem Istphasenwinkel zwischen der Motorspannung und dem Strom entsprechende Zahl bestimmt und mit einer zweiten, einer Sollverzögerung entsprechenden Zahl beim Einschalten des Motors verglichen. Die zweite Zahl wird verändert, bis beide Zahlen nahezu gleich sind. Eine dritte, einem Sollphasenwinkel entsprechende Zahl wird bestimmt und gespeichert, und das System schaltet vom Anlaufen auf Betrieb. Die erste, dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl wird nun mit der dritten, dem Sollphasenwinkel entsprechenden Zahl verglichen. Die zweite, einer Sollverzögerung entsprechende Zahl wird nun bei Motorlast variiert, um den Istphasenwinkel dem Sollphasenwinkel gleichzuhalten.

Description

Deckblatt

Die Erfindung betrifft eine selbstkalibrierende Leistungsfaktorsteuereinrichtung für Wechselstrominduktionsmotoren. Sie bezieht sich auch auf ein Leistungsfaktorsteuersystem für solche Wechselstrominduktionsmotoren.

Ein Leistungsfaktorsteuersystem für Wechselstrominduktionsmotoren ist in der US-PS 4 052 648 beschrieben (Frank J. Nola, 4. Oktober 1977, USA, Vertreten durch Administrator of the National Aeronautics and Space Administration "NASA"). Der Inhalt der Nola-Patentschrift befindet sich in einem "NASA Technical Support Package" vom März 1979 mit dem Titel "Power Factor Controller, Brief No. MFS-23280". Zusätzlich zu dem Nola-Patent enthält das Technical Support Package schematische Diagramme von Veränderungen und Verbesserungen hinsichtlich der in der Nola-Patentschrift beschriebenen Schaltung.

Wie in der Nola-Patentschrift und in dem NASA Technical Support Package dargelegt ist, kann der Strom in einem Wechselstrominduktionsmotor der Spannung um einen Phasenwinkel von

80° nacheilen, wenn der Motor unbelastet ist, und um 30° nacheilen, wenn der Motor belastet ist. Dieser Phasenwinkel "großes Theta" wird verwendet, um den Leistungsfaktor für den Motor zu berechnen, der als cos großes Theta definiert ist.

Wenn umgekehrt großes Theta groß ist, nähert sich der Leistungsfaktor Null. Grundsätzlich bedeutet ein geringer Leistungsfaktor, daß Energie vergeudet wird. Berücksichtigt man die gewaltige Anzahl von Gleichstrominduktionsmotoren, die heutzutage in Benutzung sind, dann könnte die Verbesserung des Leistungsfaktors zu sehr erheblichen Energieeinsparungen führen. Schätzungen möglicher Energieeinsparungen befinden sich auf den S. 3 und 10 des NASA Technical Support Package.

Der Betrieb der in der vorgenannten US-Patentschrift bezeichneten Leistungsfaktorsteuereinrichtung ist in dem NASA Technical Support Package auf den S. 11 und 15 beschrieben, wobei das Funktionsblockdiagramm auf S. 13 verwendet wird. Die Netz- oder Betriebsspannung wird abgetastet, und Signale entsprechend der Netzspannung und ihres Komplementes bzw. ihrer Ergänzung, werden erzeugt. Der Motorstrom wird ebenso abgefühlt, und dem Motorstrom entsprechende Signale und ihr Komplement werden ebenso erzeugt. Ein logischer Betrieb mit einer "ausschließlich oder"-Schaltung wird dann hinsichtlich dieser Spannungs- und Stromsignale durchgeführt, dessen Ergebnis ein

Eingang zu einem Summierverstärker und Niederpaßfilter ist. Der andere Eingang ist ein Gleichstromsignal, welches von einem Potentiometer abgeleitet ist, welches einem vorgeschriebenen Phasenwinkel entspricht und deshalb einem vorgeschriebenen Leistungsfaktor. Das Ergebnis dieses Filter- und Summierbetriebes ist eine Gleichstromsystemfehlerspannung, die dann mit einer linear ansteigenden Spannung verglichen wird, welche mit den Nulldurchgängen der Netzspannung synchronisiert ist. Der Schnittpunkt der linear ansteigenden Spannung mit der Gleichstromfehlerspannung wird durch die Vergleichsschaltung erfaßt und zum Triggern bzw. Auslösen des Triacs benutzt. Sobald die Last am Motor abnimmt, neigt der Phasenwinkel zur Erhöhung. In Abhängigkeit zur Steuereinrichtung nimmt die Triac-Einschaltdauer bzw. der Arbeitszyklus ab, welcher die Spannung verringert, die am Motor angelegt ist, und behält den vorgeschriebenen Phasenwinkel bei. Sobald die Motorlast in umgekehrter Weise zunimmt, versucht der Phasenwinkel abzunehmen. In Abhängigkeit von der Steuereinrichtung steigt die Triac-Einschaltdauer bzw. der Arbeitszyklus, welcher die Spannung erhöht, die am Motor anliegt, und behält den vorgeschriebenen Phasenwinkel bei.

Wegen der analogen Eigenschaft der Nola-Schaltung ist dieses System während des Betriebes Änderungen unterworfen, und zwar z.B. infolge Temperaturveränderungen. Außerdem erfordert das

Nola-System eine separate manuelle Bestimmung und Einstellung des Leistungsfaktorbefehlspotentiometers für jeden Motor.

Es folgt nun eine kurze Beschreibung der vorliegenden Erfindung. Die Nachteile der Leistungsfaktorsteuereinrichtung nach der US-Patentschrift Nola werden durch die Erfindung überwunden, welche eine erhebliche Verbesserung darstellt. Erfindungsgemäß ist eine digitale Lösung des Problems gefunden worden, die kein Einjustieren erfordert. Die Leistungsfaktorsteuereinrichtung gemäß der Erfindung ist selbstkalibrierend, was bedeutet, daß es nicht mehr weiter notwendig ist, eine separate manuelle Bestimmung und Einstellung des Leistungsfaktorbefehlspotentiometers für jeden Motor durchzuführen. Tatsächlich wird erfindungsgemäß die Leistungsfaktorsteuereinrichtung automatisch wieder jedesmal dann kalibriert, wenn der Motor eingeschaltet wird, und zwar unbeachtlich der am Motor liegenden Last.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird ein Zeitgeber in Reihe mit Zählern und einem Register verwendet. Ein Phasenwinkelzähler wird verwendet, um den Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom dadurch zu bestimmen, daß Zeitgeberimpulse zwischen den Nulldurchgängen der Motorspannung und des Motorstromes gezählt werden. Ein Verzögerungszähler wird verwendet, um das Zünden des Triacs dadurch zu verzögern, daß eine bestimmte Zahl von Zeitgeberimpulsen gezählt wird, wobei begonnen wird, wenn der Strom einen Nulldurchgang hat. Während der Anlaufperiode wird der Verzögerungszähler anfänglich mit einer Zählung von Null beladen. Die in den Verzögerungszähler geladene Zählung wird dann periodisch in Schritten vorgenommen, bis die Zählung in dem Verzögerungszähler gleich der Zählung in dem Phasenwinkelzähler ist. An dieser Stelle wird die Zählung im Phasenwinkelzähler im Register gespeichert. Diese gespeicherte Zählung entspricht dem gewünschten Phasenwinkel (Sollphasenwinkel) und deshalb dem vorgeschriebenen Leistungsfaktor. Die Steuereinrichtung schaltet nun von der Anlaufperiode in den laufenden Betrieb um. Während der Betriebsphase wird die Zählung im Phasenwinkelzähler mit der in dem Register gespeicherten Zählung verglichen, und irgendeine Differenz wird verwendet, um periodisch die in den Verzögerungszähler eingegebene Zählung zu vermehren oder zu verringern und deshalb das Zünden des Triacs zu beschleunigen oder zu verzögern, um den Istphasenwinkel gleich dem Sollphasenwinkel zu halten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsblockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Verwirklichung der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform.

Figur 1 ist ein funktionelles Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung, die verwendet wird, um die Prinzipien ihres Betriebes zu erläutern. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Leistungsfaktorsteuereinrichtung geeignet derart ausgestaltet, daß sie mit einer Wechselstromnetzspannung an den Anschlüssen 10 und 12 angeschlossen wird. Der Anschluß 12, der vorzugsweise an die neutrale Leitung angeschlossen ist, ist mit einer Zuleitung des Motors 16 verbunden, während der Anschluß 10 mit der anderen Zuleitung des Motors 16 über den Schalter 18 und das Triac 20 verbunden ist. Der Schalter 18 kann beispielsweise ein mit einem Pedal betriebener Ein/Aus-Schalter an einer industriellen Nähmaschine sein. An dem Wechselstromnetz liegt ein Gleichstromnetzgerät 22, welches eine regulierte Gleichspannung vorsieht.

Am Anschluß 10 liegt ein Verstärker 24, der eine Rechteckwelle erzeugt, deren Nulldurchgänge denen der Netzspannung entsprechen. An einer Stelle zwischen dem Motor 16 und dem Triac 20 ist ein Verstärker 26 angeschlossen, der Impulse entsprechend den Nulldurchgängen des Motorstromes erzeugt. Der Ausgang des Verstärkers 26 ist mit dem Eingang eines monostabilen Multivibrators 28 verbunden, der bei jedem Nulldurchgang des Motorstromes einen Impuls erzeugt. Eine Triggerschaltung 30 liegt über dem Triac 20 und steuert dessen Zündung.

Ein Zeitgeber 32 erzeugt einen Zug oder eine Anzahl von Impulsen, vorzugsweise mit einer Frequenz, die nicht ein Vielfaches der Netzfrequenz ist, welche dem Phasenwinkelzähler 34 und dem Verzögerungszähler 36 zugeführt werden. Der Phasenwinkelzähler 34 liegt sowohl am Verstärker 24 als auch am monostabilen Multivibrator 28. Der Zähler 34 beginnt mit dem Hochzählen der Zeitgeberimpulse jedesmal dann, wenn die Netzspannung einen Nulldurchgang hat, und hält jedesmal dann mit dem Zählen an, wenn der Motorstrom einen Nulldurchgang hat. Die sich ergebende Zählung im Zähler 34 entspricht somit dem Phasenwinkel zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom. Der Verzögerungszähler 36 liegt auch am Verstärker 24 und am monostabilen Multivibrator 28 sowie am inkrementellen bzw. Schrittzähler 38. Der Verzögerungszähler 36 wird mit der Zählung beladen, die im Schrittzähler 38 enthalten ist, und zwar jeweils beim Nulldurchgang der Netzspannung. Der Zähler 36 beginnt mit dem Herunterzählen von dieser Zählung jedesmal beim Nulldurchgang des Motorstromes. Wenn der Zähler 36 Null erreicht, wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Trigger 30 zum Zünden des Triacs 20 veranlaßt.

Das Ausgangssignal des Schrittzählers 38 ist auch mit einem Eingang der Vergleichsschaltung 40 über den Schalter 46 a verbunden. Der zweite Eingang zur Vergleichsschaltung 40 ist der Ausgang aus dem Phasenwinkelzähler 34. Die Vergleichsschaltung

40 bestimmt, ob die Zählung im Schrittzähler 38 (und deshalb die in den Verzögerungszähler 36 hineingegebene Zählung) geringer, gleich oder größer ist als die im Phasenwinkelzähler 34. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 40 liegt direkt am Steuergatter 42 und am Phasenwinkelregister 44 über Schalter 46 b. Das Steuergatter 42 bestimmt, ob der Schrittzähler 38 vermehrt oder verringert (incremented or decremented) ist. Zwischen dem Steuergatter 42 und dem monostabilen Multivibrator 28 liegen ein Schalter 46 c und eine durch vier teilende Schaltung 48, die zwei in Serie liegende Flip-Flops aufweisen kann. Während der Anlaufperiode wird der Zähler 38 pro jedem zweiten Zyklus vermehrt, und während des Betriebes pro jedem halben Zyklus.

Während der Anlaufperiode erhält der Motor die Möglichkeit, einige Sekunden zu laufen, damit er Geschwindigkeit (Drehzahl) aufnehmen kann. An diesem Punkt ist die Zählung im Schrittzähler 38 Null. Die Vergleichsschaltung 40 veranlaßt deshalb den Zähler 38 pro jeden zweiten Zyklus vermehrt bzw. inkrementiert zu werden. Dies bleibt so, bis die Zählung im Zähler 38 gleich der Zählung im Zähler 34 ist. Wenn die Vergleichsschaltung 40 bestimmt, daß die Zählung im Zähler 34 gleich der Zählung im Zähler 38 ist, passieren einige Dinge. Die Zählung im Phasenwinkelzähler 34 wird in das Phasenwinkelregister 44 eingeladen bzw. eingegeben; ein Eingang der Ver- gleichsschaltung 40 wird vom Ausgang des Schrittzählers 38 abgetrennt und statt dessen mit dem Ausgang des Phasenwinkelregisters 44 verbunden; der Ausgang aus der Vergleichsschaltung 40 wird aus dem Register 44 weggenommen; und das Gatter 42 wird direkt mit dem Ausgang des monostabilen Multivibrators 28 verbunden. Die Leistungsfaktorsteuereinrichtung ist nun von der Anlaufperiode auf den laufenden Betrieb umgeschaltet worden. Danach vergleicht die Vergleichsschaltung 40 die Zählung im Phasenwinkelzähler 34 mit der im Phasenwinkelregister 44 gespeicherten und erhöht oder vermindert (increment or decrement) je nach den Ergebnissen dieses Vergleichs den Schrittzähler 38 pro jeden halben Zyklus, wodurch die Verzögerung beim Zünden des Triacs 20 entweder vergrößert oder verkleinert wird.

Der Fachmann erkennt nun, daß die dargestellte Ausführungsform der Figur 1 durchgeführt bzw. vollendet werden kann unter Benutzung diskreter Bestandteile und/oder integrierter Schaltungschips. Ebenso kann man die dargestellte Ausführungsform der Fig. 1 unter Verwendung von verdrahteten Schaltungen realisieren oder mit Hilfe programmierter Digitalcomputer. Auch zahlreiche andere Systeme können aufgebaut werden, die sich in der Form von der dargestellten Ausführungsform der Fig. 1 unterscheiden, die aber nichtsdestoweniger die Prinzipien der Erfindung realisieren. Wenn beispielsweise ein programmierter Digitalcomputer verwendet wird, um die vorliegende Erfindung durchzuführen, dann können die Funktionen, die von den Zählern 34, 36 und 38, vom Register 44, von der Vergleichsschaltung 40, vom Gatter 42, vom Teiler 48 und den Schaltern 46 a, 46 b und 46 c vorgenommen werden, alle von diesem Computer durchgeführt werden. In jedem Falle könnte der Vergleich des Ausgangssignals aus dem Zähler 38 oder dem Register 44 mit dem des Zählers 34 mittels einer Subtraktion in der arithmetischen logischen Einheit im Computer erfolgen. Falls auf der anderen Seite die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform unter Verwendung festverdrahteter Schaltungen in die Tat umgesetzt würde, dann könnten die Zähler 34, 36 und 38 und das Register 44 integrierte Schaltungschips aufweisen, und die Schalter 46 a, 46 b und 46 c könnten Reedrelais oder Festkörperschalter aufweisen. Die Vergleichsschaltung 40 kann zwei Analog-/Digitalwandler und zwei entgegengesetzt vorgespannte Betriebsverstärker aufweisen, das Gatter 42 und die Teilerschaltung 48 könnten entweder diskrete Bestandteile und/oder integrierte Schaltungschips aufweisen.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Realisierung der dargestellten Ausführungsform nach Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 weist das Gleichstromnetzteil 22 eine Vollwellenbrückengleichrichterschaltung und einen Texas Instrument ("TI") 7805 Regulator als integriertes Schaltungschip auf. Die Verstärker 24 und 26 weisen Betriebsverstärker RCA CA 339 auf. Der monostabile

Multivibrator 28 ist ein TI 74121 integrierter Schaltungschip. Der Zeitgeber 32 ist ein TI 74LS193 Zähler, der verwendet wird, um das "ALE"-(adress latch enable)-Signal von 400 KHz auf 28,5 KHz herunterzuteilen. Der Trigger 30 ist ein TI 7406 Pufferverstärker mit integrierter Schaltung und ein Monsanto 6200 Chip mit zwei optisch gekoppelten SCR's (Silicium gesteuerten Gleichrichtern), die als Triac verbunden sind.

In Fig. 2 werden die Funktionen, welche durch den Phasenwinkelzähler 34, Verzögerungszähler 36, Schrittzähler 38, Phasenwinkelregister 44, Vergleichsschaltung 40, Gatter 42, Teiler 48 und Schalter 46 a, 46 b und 46 c durchgeführt werden, von einem programmierbaren digitalen Microcomputer Intel 8748 bearbeitet. Ein geeignetes Programm für den Computer ist am Ende der Beschreibung angeschlossen. Im Computer werden Zähler verwendet, um die Funktionen des Phasenwinkelzählers 34 und Verzögerungszählers 36 durchzuführen, und Register werden verwendet, um die Funktionen des Phasenwinkelregisters 44 und des Schrittzählers 38 durchzuführen. Die Funktion der Vergleichsschaltung 40 erfolgt mittels einer Subtraktion in der arithmetischen logischen Einheit. Die Funktionen des Gatters 42, der Teilerschaltung 48 und der Schalter 46 a, 46 b und 46 c erfolgt durch logische Elemente unter Software-Steuerung.

Wenn ein Computer verwendet wird, um das funktionelle Blockdiagramm der Fig. 1 zu realisieren, kann die Betriebsart etwas unterschiedlich bearbeitet werden. Statt der Vermehrung oder Verminderung (incrementing or decrementing) des Verzögerungszählers um eine Zählung pro jeden halben Zyklus, um die Zahl im Phasenwinkelzähler gleich der Zahl im Phasenwinkelregister zu halten, kann der Verzögerungszähler um diese Zahl von Zählungen gleich der Differenz zwischen der Zahl von Zählungen im Phasenwinkelzähler und der Zahl von Zählungen im Phasenwinkelregister geändert werden. Auf diese Weise ist weniger Zeit erforderlich, um den Phasenwinkelzähler in Übereinstimmung mit dem Phasenwinkelregister zu bringen. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Verarbeiten von gekoppelten Lasten. Der Verzögerungszähler kann auch um diese Zahl von Zählungen gleich der Hälfte der Differenz zwischen der Zahl von Zählungen im Phasenwinkelzähler und der Zahl von Zählungen im Phasenwinkelregister geändert werden.

Wenn der Leistungsfaktor in der oben beschriebenen Weise kalibriert wird, während der Motor sich ohne Last befindet, dann kann eine Energieeinsparung in der Größenordnung von 50 % erhalten werden, wenn der Motor unbelastet betrieben wird. Wenn jedoch der Leistungsfaktor kalibriert wird, während der Motor unter Last steht, dann können Energieeinsparungen in der Größenordnung von 65 % erhalten werden, wenn der Motor unbelastet betrieben wird. Um die Leistungseinsparung unbeachtlich davon maximal zu machen, ob der Leistungsfaktor bei belastetem Motor oder bei unbelastetem Motor kalibriert wird, kann eine weitere Verfeinerung des Kalibrierens verwendet werden, welche nun erläutert wird.

Der anfänglich gemessene Phasenwinkel, wenn der Motor zunächst eingeschaltet worden ist und Drehzahl aufgenommen hat, wurde als großes Theta[tief]1 definiert. Da großes Theta[tief]1 von Zyklus zu Zyklus etwas variieren kann, wird vorzugsweise ein Mittelwert für großes Theta[tief]1 erhalten. Der Phasenwinkel, der vorhanden ist, wenn die Zählung im Phasenwinkelzähler gleich der Zählung im Verzögerungszähler ist, wird als großes Theta[tief]2 definiert. Das folgende Verhältnis kann dann berechnet werden.

großes Theta[tief]1 - großes Theta[tief]2

__________________________________________ = N[tief]1

großes Theta[tief]1

Basierend auf begrenzten Versuchen ist beobachtet worden, daß N[tief]1 etwa 0,38 ist, wenn großes Theta[tief]2 mit dem unbelasteten Motor bestimmt wird. Man hat auch beobachtet, daß N[tief]1 etwa 0,46 ist, wenn großes Theta[tief]2 bei belastetem Motor bestimmt wird. Wenn großes Theta[tief]2 bei unbelastetem Motor bestimmt wird, erhält man bei unbelastetem Motor eine Kraft- bzw. Leistungsersparnis von etwa 50 %. Wenn großes Theta[tief]2 bei belastetem Motor bestimmt wird, erhält man Kraft- bzw. Leistungseinsparungen von etwa 65 %, wenn der Motor unbelastet ist. Die folgenden Berechnungen können nun durchgeführt werden, um großes Theta[tief]2 so einzustellen, daß die Leistungseinsparung maximal gemacht wird, unbeachtlich davon, ob die Kalibrierung bei belastetem Motor, bei unbelastetem oder teilweise belastetem Motor erfolgt. N[tief]1 wird zunächst durch 0,46 dividiert, um N[tief]2 zu bilden, und großes Theta[tief]2 wird mit N[tief]2 multipliziert, um großes Theta[tief]3 zu bilden, welches der kalibrierte Phasenwinkel ist, der am besten berechnet wird, um die Kraft- bzw. Leistungseinsparung maximal zu machen. Entsprechend wird großes Theta[tief]3 vorzugsweise in dem Phasenwinkelregister gespeichert. Wenn es aus irgendeinem Grunde nicht erwünscht ist, die Krafteinsparung maximal zu machen, wird selbstverständlich die Verwendung von großes Theta[tief]2 als kalibriertem Phasenwinkel noch zu sehr erheblichen Einsparungen führen. Wenn großes Theta[tief]3 benutzt wird, kann eine Kraft- bzw. Leistungseinsparung in der Größenordnung von 65 % erhalten werden, wenn der Motor unbelastet ist, und bei belastetem Motor können Krafteinsparungen von bis zu 25 % erhalten werden.

Der Fachmann wird es schätzen, daß bei unterschiedlichen Arten von Wechselstrominduktionsmotoren es erwünscht sein kann, eine Konstante zu verwenden, die eine andere Größe als 0,46 hat, um Leistungseinsparungen maximal zu machen. Während die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl vorzugsweise erzeugt wird durch

Starten und Anhalten eines Zählers nach den Spannungs- und Stromnulldurchgängen, erkennt der Fachmann auch, daß ein freilaufender Zähler ebenso leicht verwendet werden könnte. Im letzteren Falle ist die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl der Unterschied zwischen der Zahl im Zähler zu den Zeiten, wenn Spannung und Strom Nulldurchgänge haben. In beiden Fällen werden jedoch Zeitgeberimpulse gezählt, um eine dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl zu erzeugen. Zwar ist der Verzögerungszähler dargestellt, wie er auf Null herunterzählt, er könnte aber ebenso auch hochzählen oder von einer Zahl zu einer anderen herunterzählen, wobei der Unterschied zwischen den Zahlen die bedeutende Sache ist. Dieses sind nur einige Beispiele, wie die Form gemäß der Erfindung geändert werden könnte, ohne daß man ihre Prinzipien verläßt.

Obwohl in der Darstellung die Erfindung auf einen Wechselstrominduktionsmotor mit einzelner Phase angewendet beschrieben ist, kann sie auch ebensogut auf Wechselstrominduktionsmotoren mit mehreren Phasen angewendet werden. Tatsächlich erfordert das Steuern des Leistungsfaktors eines dreiphasigen Wechselstrominduktionsmotors wenig zusätzlichen Schaltungsaufwand: weitere zwei Triacs (oder siliciumgesteuerte Gleichrichter) sowie eine zugeordnete Triggerschaltung für die zwei zusätzlichen Phasen und z.B. einen Zähler und ein Schieberegister zur Erzeugung fester Verzögerungen für die Erregung bzw. Einschaltung der anderen zwei Phasen. Weil das Verhältnis unter den Phasen fest ist, schließt die Steuerung des Leistungsfaktors eines dreiphasigen Wechselstrominduktionsmotors nur das Bestimmen des kalibrierten Phasenwinkels für eine Phase und das Verwenden jenes selben Phasenwinkels für die anderen zwei Phasen ein.

Es folgt ein geeignetes Programm für den Computer:

Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Leistungsfaktors eines Wechselstrominduktionsmotors, gekennzeichnet durch das Erzeugen eines Zuges von Zeitgeberimpulsen, Zählen der Zeitgeberimpulse zur Erzeugung einer Zahl, welche dem tatsächlichen Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom dieses Induktionsmotors entspricht, Zählen der Zeitgeberimpulse unter Beginnen mit einer ersten bestimmten Zahl zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn die Zählung eine zweite bestimmte Zahl erreicht hat, Vergleichen derjenigen Zahl, welche dem tatsächlichen Phasenwinkel entspricht, mit einer Zahl, welche einem gewünschten Phasenwinkel entspricht (Sollphasenwinkel), Veränderung mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in Abhängigkeit von dem Vergleich zur Aufrechterhaltung des tatsächlichen Phasenwinkels etwa gleich dem Sollphasenwinkel, und Einschalten des Motors in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Leistungsfaktorkontrolleinrichtung für einen Wechselstrominduktionsmotor dadurch kalibriert wird, daß ein Zug von Zeitgeberimpulsen erzeugt wird, die Zeitgeberimpulse gezählt werden, um eine Zahl zu erzeugen, welche dem

Istphasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom des Induktionsmotors entspricht, die Zeitgeberimpulse gezählt werden, wobei mit einer ersten bestimmten Zahl begonnen wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Zählung eine zweite bestimmte Zahl erreicht hat, die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl mit der Differenz zwischen den bestimmten Zahlen verglichen wird, mindestens eine der bestimmten Zahlen geändert wird, bis die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl und die Differenz nahezu gleich sind, und der Motor in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal eingeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Selbstkalibrierung zur Steuerung des Leistungsfaktors des Wechselstrominduktionsmotors dadurch erfolgt, daß ein Zug von Zeitgeberimpulsen erzeugt wird, die Zeitgeberimpulse gezählt werden, um eine dem Istphasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom des Induktionsmotors entsprechende Zahl zu erzeugen, die Zeitgeberimpulse gezählt werden, wobei mit einer ersten bestimmten Zahl begonnen wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Zählung eine zweite bestimmte Zahl erreicht hat, die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl mit der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen verglichen wird, mindestens eine der vorbestimmten Zahlen in Abhängigkeit von dem Ver- gleich geändert werden, bis die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl und die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen nahezu gleich sind, eine der nahezu gleichen Zahlen als Sollphasenwinkel gespeichert wird, die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl mit der dem Sollphasenwinkel entsprechenden Zahl verglichen wird, mindestens eine der bestimmten Zahlen in Abhängigkeit von diesem Vergleich so geändert wird, daß die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl nahezu gleich der dem Sollphasenwinkel entsprechenden Zahl gehalten wird, und daß der Motor in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Selbstkalibrierung zur Steuerung des Leistungsfaktors eines Wechselstrominduktionsmotors, gekennzeichnet durch das Erzeugen eines Zuges oder einer Anzahl von Zeitgeberimpulsen, Zählen dieser Zeitgeberimpulse zur Erzeugung einer dem Istphasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom des Induktionsmotors entsprechenden Zahl, Speichern eines anfänglichen Istphasenwinkels, z.B. großes Theta[tief]1, Zählen dieser Zeitgeberimpulse unter Beginnen mit einer ersten bestimmten Zahl zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn die Zählung eine zweite bestimmte Zahl erreicht hat, Vergleichen dieser dem Istphasenwinkel entsprechenden Zahlen mit der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen, Ändern mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in Abhängigkeit von diesem Vergleich, bis die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl und die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen nahezu gleich sind, Speichern einer der nahezu gleichen Zahlen als großes Theta[tief]2,

Bestimmen von N[tief]1 = [großes Theta[tief]1 - großes Theta[tief]2]/großes Theta[tief]1,

Bestimmen von N[tief]1 = Kgroßes Theta[tief]1, wobei K eine Konstante ist,

Bestimmen von großes Theta[tief]3 = N[tief]2großes Theta[tief]2,

Speichern von großes Theta[tief]3 als der kalibrierte Phasenwinkel,

Vergleich dieser dem Istphasenwinkel entsprechenden Zahl mit großes Theta[tief]3, Ändern mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in Abhängigkeit von diesem Vergleich, um den Istphasenwinkel nahezu gleich großes Theta[tief]3 zu halten, und Einschalten des Motors in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeberimpulse hochgezählt werden, um die dem Istphasenwinkel entsprechende Zahl zu erzeugen, und die Zeitgeberimpulse heruntergezählt werden, um das Ausgangssignal zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeberimpulse von Null hochgezählt werden, wobei die erste vorbestimmte Zahl einer gewünschten Verzögerung (Sollverzögerung) entspricht und die zweite bestimmte Zahl Null ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählen der Zeitgeberimpulse zur Erzeugung der Zahl, welche dem Istphasenwinkel entspricht, jedesmal dann beginnt, wenn die Motorspannung Null kreuzt (einen Nulldurchgang hat).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählen der Zeitgeberimpulse zur Erzeugung der dem Istphasenwinkel entsprechenden Zahl aufhört und das Zählen der Zeitgeberimpulse zur Erzeugung des Ausgangssignales jedesmal dann anfängt, wenn der Motorstrom einen Nulldurchgang hat.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der vorbestimmten Zahlen zweimal pro Zyklus geändert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den vorbestimmten Zahlen durch einen Betrag geändert wird, der proportional der Differenz zwischen der dem Istphasenwinkel entsprechenden Zahl und der dem Sollphasenwinkel entsprechenden Zahl ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen um einen Betrag geändert wird, der gleich der Differenz zwischen der dem Istphasenwinkel entsprechenden Zahl und der dem Sollphasenwinkel entsprechenden Zahl ist.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der vorbestimmten Zahlen einmal für jeden zweiten Zyklus geändert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen in gleichmäßigen Stückchen bzw. Schritten geändert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen in gleichmäßigen Schritten vergrößert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich subtrahiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß K näherungsweise 1/0,46 ist.

17. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß großes Theta[tief]1 den Wert des anfänglichen Istphasenwinkels, über einige Zyklen gemittelt, darstellt.

18. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor vor der Bestimmung von großes Theta[tief]2 bis zur Laufgeschwindigkeit beschleunigt wird.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, insbesondere digitale Leistungsfaktorsteuereinrichtung für einen Wechselstrominduktionsmotor, gekennzeichnet durch einen Zeitgeber zur Erzeugung eines Zuges oder einer Anzahl von Impulsen, einen Phasenwinkelzähler, der mit dem Zeitgeber zur Zählung der Impulse verbunden ist zur Erzeugung einer Zahl, welche dem Istphasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom des Induktionsmotors entspricht, einen Verzögerungszähler, der mit dem Zeitgeber zum Zählen der Impulse verbunden ist, beginnend mit einer ersten bestimmten Zahl, zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn die Zählung eine zweite bestimmte Zahl erreicht hat, eine Phasenwinkelspeichereinrichtung zur Speicherung einer dem Sollphasenwinkel entsprechenden Zahl, eine Vergleichsschaltung, die mit dem Phasenwinkelzähler und der Speichereinrichtung verbunden ist zum Vergleich der Zahl im Phasenwinkelzähler mit der Zahl in der Speichereinrichtung und zur Änderung mindestens einer der bestimmten Zahlen in Abhängigkeit von diesem Vergleich, um den Istphasenwinkel nahezu gleich im Sollphasenwinkel zu halten, und durch eine schaltbare Vorrich- tung, die mit einer Windung des Induktionsmotors in Reihe und mit dem Verzögerungszähler zum Einschalten des Induktionsmotors in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal elektrisch verbindbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19 zum Kalibrieren einer digitalen Leistungsfaktorsteuereinrichtung für einen Wechselstrominduktionsmotor, gekennzeichnet durch einen Zeitgeber zur Erzeugung einer Anzahl von Impulsen, einen Phasenwinkelzähler, der mit dem Zeitgeber verbunden ist zum Zählen der Impulse und Erzeugen einer dem Istphasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom des Induktionsmotors entsprechenden Zahl, einen Verzögerungszähler, der mit dem Zeitgeber verbunden ist zum Zählen der Impulse, beginnend mit einer ersten vorbestimmten Zahl, zur Erzeugung eines Ausgangssignales, wenn die Zählung eine zweite vorbestimmte Zahl erreicht hat, durch Vergleichseinrichtungen, die mit dem Phasenwinkelzähler und dem Verzögerungszähler verbunden sind zum Vergleich der Zahl im Phasenwinkelzähler mit der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen sowie zur Änderung mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in Abhängigkeit von dem Vergleich, bis die Zahl im Phasenwinkelzähler nahezu gleich der Differenz ist, und durch eine schaltbare Vorrichtung, die in Reihe mit einer Wicklung des Induktionsmotors und mit dem Verzögerungszähler zum Einschalten des Motors in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal elektrisch verbindbar ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, insbesondere eine selbstkalibrierende, digitale Leistungsfaktorsteuerungseinrichtung für einen Wechselstrominduktionsmotor, gekennzeichnet durch einen Zeitgeber zur Erzeugung einer Reihe von Impulsen, einen Phasenwinkelzähler, der mit dem Zeitgeber verbunden ist zum Zählen der Impulse und Erzeugen einer dem Istphasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom des Induktionsmotors entsprechenden Zahl, einen Verzögerungszähler, der mit dem Impulsgeber zum Zählen der Impulse verbunden ist, beginnend mit einer ersten vorbestimmten Zahl, zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn die Zählung eine zweite vorbestimmte Zahl erreicht hat, eine Phasenwinkelspeichereinrichtung, die mit dem Phasenwinkelzähler verbunden ist zum Speichern einer Zahl, welche einem Sollphasenwinkel entspricht, eine Vergleichseinrichtung, die mit dem Phasenwinkelzähler verbunden ist und:

(1) während der Anlaufperiode mit dem Verzögerungszähler verbunden ist zum Vergleich der Zahl im Phasenwinkelzähler mit der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen und zum Ändern mindestens einer der vorbestimmten Zahlen, bis die Zahl im Phasenwinkelzähler und die Differenz nahezu gleich sind,

(2) während des Betriebes mit der Phasenwinkelspeicherein- richtung verbunden ist zum Vergleich der Zahl im Phasenwinkelzähler mit der Zahl in der Phasenwinkelspeichereinrichtung und zur Änderung mindestens einer der vorbestimmten Zahlen, um den Istphasenwinkel nahezu gleich dem Sollphasenwinkel zu halten, und

durch eine schaltbare Vorrichtung, die in Reihe mit einer Wicklung des Induktionsmotors und mit dem Verzögerungszähler zum Einschalten des Induktionsmotors in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal elektrisch verbindbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Vorrichtung ein Triac aufweist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkelzähler hochzählt und der Verzögerungszähler herunterzählt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkelzähler von Null hochzählt, die erste vorbestimmte Zahl einer Sollverzögerung entspricht und die zweite vorbestimmte Zahl Null ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkelzähler das Zählen jedesmal dann beginnt, wenn die Motorspannung einen Nulldurchgang hat.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkelzähler mit dem Zählen anhält und der Verzögerungszähler mit dem Zählen anläuft, jedesmal wenn der Motorstrom einen Nulldurchgang hat.

27. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der vorbestimmten Zahlen zweimal pro Zyklus geändert wird.

28. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen um einen Betrag geändert wird, der proportional der Differenz zwischen der Zahl in dem Phasenwinkelzähler und der Zahl in der Speichereinrichtung ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen um einen Wert geändert wird, der gleich ist der Differenz zwischen der Zahl in dem Phasenwinkelzähler und der Zahl in der Speichereinrichtung.

30. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der vorbestimmten Zahlen einmal pro jedem zweiten Zyklus geändert wird.

31. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen in gleichmäßigen Schritten geändert wird.

32. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen in gleichmäßigen Schritten erhöht bzw. vergrößert wird.

33. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkelspeichereinrichtung ein Register aufweist.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung eine arithmetische logische Einheit aufweist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung ein Mittel aufweist zum Beladen mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in den Verzögerungszähler.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Beladen mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in den Verzögerungszähler hinein einen Zähler aufweist.

37. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Beladen mindestens einer der vorbestimmten Zahlen in den Verzögerungszähler hinein ein Register aufweist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 21, insbesondere selbstkalibrierender, digitaler Leistungsfaktorsteuerer, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl in dem Phasenwinkelzähler zu der Phasenwinkelspeichereinrichtung während der Anlaufperiode übertragen wird, wenn die Zahl in dem Phasenwinkelzähler nahezu gleich ist der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen.

39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung von der Anlaufperiode auf den Betrieb umschaltet, wenn die Zahl in dem Phasenwinkelzähler nahezu gleich ist der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen.

40. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung folgende Teile aufweist: eine

Einrichtung zum Speichern einer Zahl entsprechend dem Anfangsphasenwinkel großes Theta[tief]1, eine Einrichtung zum Speichern einer Zahl entsprechend einem Phasenwinkel großes Theta[tief]2, wenn die Zählung in dem Phasenwinkelzähler nahezu gleich ist der Differenz zwischen den vorbestimmten Zahlen, eine Einrichtung zur Bestimmung einer Zahl N[tief]1 = [großes Theta[tief]1 - großes Theta[tief]2]/großes Theta[tief]1, eine Einrichtung zur Bestimmung einer Zahl N[tief]2 = KN[tief]1, wobei K eine Konstante ist, und eine Einrichtung zur Bestimmung eines kalibrierten Phasenwinkels großes Theta[tief]3 = N[tief]2großes Theta[tief]2.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß K nahezu 1/0,46 ist.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 oder 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung einen programmierten Digitalcomputer aufweist.