WO1990005407A1 - Verfahren und einrichtung zur änderung der ist-drehzahl eines mehrphasen-asynchronmotors, und zur ausführung des verfahrens geeignetes motorensystem - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur änderung der ist-drehzahl eines mehrphasen-asynchronmotors, und zur ausführung des verfahrens geeignetes motorensystem Download PDF

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stator current
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Eduard Josef Voet
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Europe Patent Ltd.
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/74—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors

Definitions

  • the invention relates to a method for changing the actual speed of a multi-phase asynchronous motor until a desired speed is reached, the multi-phase stator current of the motor having a variable frequency and its effective value being determined as a function of a current control variable, and a device for Execution of the method and a motor system suitable for executing the method.
  • the control of the speed and the torque of a multi-phase asynchronous motor is known per se and can be carried out, for example, by means of an inverter.
  • the object of the invention is a method of the type mentioned at the outset, a device for carrying out the Specify the method and a motor system suitable for carrying out the method, with which the maximum usable speed range of the motor used is always available in transient operation and a maximum speed range can be covered in the motor system with a minimum of motor definitions, in particular because the regulation the speed requires no limitation of the stator current and no lowering of the stator voltage below the maximum permissible values for the motor.
  • the invention is based on the knowledge that (1) the static properties of a multi-phase asynchronous motor are essentially sufficiently defined if a torque / speed characteristic of the motor is specified, which in turn determines the magnetic saturation of the iron parts in the motor , and (2) the dynamic properties of the motor are determined by an electrical and a mechanical time constant, from which it follows that the conversion of electrical energy into kinetic energy (or vice versa in generator operation) in one step the engine runs out of certain finite time.
  • this predetermined value of the stator current can be freely selected.
  • the predetermined value of the stator current is within the Select range in which the torque of the motor is approximately proportional to the stator current. It is consequently advisable to choose the current guide variable which determines the stator current such that a torque between zero and the stall torque of the motor is achieved. For this reason, the current control variable is to be selected between zero and the effective value of the stator current (depending on the magnetization) with which the breakdown torque is reached.
  • Effective value of the stator current is measured and compared with the current carrying quantity, (c) if the measured effective value of the stator current is greater than the current carrying quantity, the frequency is temporarily kept at the value reached,
  • the frequency is kept constant until the effective value of the stator current, which is now decreasing as a result of the change in speed, has become smaller than the current carrying variable, and then the sequence of process steps from process step (a) is repeated.
  • the change in speed can be both an acceleration and a deceleration. If the multi-phase stator current of the motor is supplied by an inverter that draws electrical energy from an AC voltage network and receives it as direct current via a rectifier, the motor can be accelerated or braked by the electrical energy obtained.
  • the motor is braked in any case if the inverter draws electrical energy from the multi-phase stator current of the motor in the event of a voltage failure on the AC voltage network, converts it into direct current and connects it to an energy store and / or load resistor.
  • stator current directly on the AC side of the inverter or indirectly (for example as a voltage drop across a measuring resistor) on the DC side of the inverter.
  • the speed change takes place essentially while keeping the torque constant to the value corresponding to the current carrying quantity.
  • the energy flow into the rotor is controlled via the frequency with a frequency-proportional stator voltage. This prevents the motor from operating with high slip, reduced efficiency and high power loss in the rotor in an area where the current is not proportional to the torque.
  • the speed change can be optimized insofar as it takes place either with the maximum permissible stator current and torque (overturning torque) or with the maximum or optimally compatible torque with the load.
  • the motor develops its best possible properties in terms of dynamics and efficiency given by physical limits, ie it has the smallest electrical and mechanical time con- aunt. In other words, the rate of change of the speed over time is then maximum.
  • the instantaneous value of the stator voltage depends on the instantaneous frequency of the inverter, while the actual stator voltage depends on the motor connection (star connection or delta or square connection), and the maximum value of the possible stator voltage is determined by the the DC voltage-dependent DC voltage is determined. In this way, the highest possible drive power with the mains voltage used is always routed to the motor. If the variation of the stator voltage over the frequency deviates from the characteristic operating voltage / operating frequency characteristic value of the motor because of insufficient mains voltage, so-called field weakening occurs. This can be determined on the basis of the deviation mentioned and can be advantageously signaled (in the sense of information about the current operating conditions).
  • the frequency change rate can be chosen to be so small that the resulting variation in speed over time is essentially constant because the effective value of the stator current does not become noticeably greater than the current-carrying variable and thus the frequency during an imperceptible is kept constant for a short time.
  • the frequency change rate is chosen, for example, such that the resulting frequency change does not exceed approximately 3 to 5% of the instantaneous frequency, ie approximately half the size of the slip of the motor.
  • the suitable frequency change rate is related to the respective electrical time constant of the motor used, which in turn is related to the motor system as a relative quantity.
  • a suitable frequency change rate is, for example, 0.1 Hz / ⁇ s for an end for driving high-speed spindles.
  • the frequency change rate can be chosen so large that the characteristic of the resulting variation of the speed over time runs essentially as a feston, ie garland-shaped, because the effective value of the stator current becomes noticeably larger with every frequency change than the current carrying variable and thus the frequency is kept constant for a noticeable period of time.
  • This period of time during which the motor increases its speed by converting electrical energy into mechanical energy depends solely on certain properties of the drive, namely on an inductive electrical quantity, on the efficiency of the motor, on the moment of inertia of the motor, on Moment of inertia of the load and the load moment caused by the load.
  • the period of time mentioned is therefore a consequence of the immediately preceding frequency change and has a fixed relationship with it, so that the shape of a single element of the festoon allows the characteristics of the drive to be described.
  • These properties of the drive have a certain analogy with the torsional rigidity of a shaft: they can therefore be referred to as the "torsional rigidity of the drive”.
  • the relevant analysis of the variation of the frequency over time that is to say the characteristic values (an electrical and a mechanical constant), which designate the shape and size of an element of the garland-shaped characteristic curve, can be carried out, for example, with the aid of an appropriately programmed microcomputer , which derives from this the specification of a measure for the "torsional rigidity of the drive" and, if necessary, displays it.
  • the inverter can then be controlled in such a way that it supplies direct current to the stator of the motor in order to feed the rotor stop, or use this process as a vector-controlled direct current in order to bring the rotor or an object moved by the rotor into a defined position with the aid of position sensors or to have very slow rotary movements carried out (range of lowest speeds).
  • the intensity of the direct current can initially be substantially equal to the effective value of the nominal motor current for a predetermined period of time and can then be reduced to a fraction of the aforementioned intensity.
  • a controller upstream of the inverter comprises a microcomputer which is programmed accordingly, inter alia to provide the inverter with the suitable signals for the ignition of switchable semiconductor elements, for example of the IGBT type ( "isolated gate bipolar transistor").
  • This control or its microcomputer for example, is manually entered, for example, the current control variable and the frequency change rate as well as the characteristic operating voltage / operating frequency characteristic value and the stator current for the maximum torque of the multi-phase asynchronous motor used.
  • the current side of the inverter is • _. . Measuring resistor provided in series connection between the rectifier and the inverter in order to measure the stator current as the value of a voltage drop at this measuring resistor, this value being fed to the control or its microcomputer.
  • the method according to the invention is based on the constant characteristic operating voltage / operating frequency characteristic value of a multi-phase asynchronous motor when the rated torque is delivered in continuous operation in order to control the motor via the frequency of the stator current also has the consequence that it it is possible with simple means to substantially expand the frequency range that can be used with a given multi-phase asynchronous motor.
  • the usable speed range can be increased by the same factor 73 or 7 are increased, which also increases the drive power by the same factor 73 or 7.
  • Control of supplyable operating voltage / operating frequency Characteristic values preferably a geometric sequence in the ratio 1: 73: 3: 373, ie with the quotient 73 as the law of formation.
  • the usable speed range of a given three-phase motor defined by torque and operating voltage / operating frequency characteristic values for star or delta connection comprises in succession (a) a first range in which the motor is supplied in star connection and which is fed to the inverter ⁇ given operating voltage / operating frequency characteristic value is a factor J2 higher than the operating voltage / operating frequency characteristic value defining the motor for star connection (high saturation), (b) a second area in which the motor continues to be star-connected and the operating voltage / operating frequency characteristic value input to the inverter is now equal to the operating voltage / operating frequency characteristic value defining the motor for star connection (normal saturation), (c) a third area in which the motor is fed in delta connection and the operating voltage / operating frequency characteristic value input to the inverter by one A factor of 73 is lower than the operating voltage / operating frequency characteristic
  • the speed range achieved here is achieved with conventional drive technology using 5 different motor types.
  • a sequence of three-phase asynchronous motors in a motor system which have the same maximum torque (in order to be able to determine the maximum outputs of the same rotor geometry) and their differently defined operating voltage / operating frequency Characteristic values (or by the respective inverse in Hz / volts) are determined.
  • the operating voltage / operating frequency characteristic value corresponding to one of these motors is in each case one of the elements of a geometric sequence formed with 73 as a quotient, so that the motors of this motor system are coordinated with one another and in connection with the inverter with the quotient 73 as the law of education.
  • Such a motor system is the subject of the invention, and any of these motors of such a motor system is then connected to the inverter, with an automatic adaptation with respect to frequency change rate, DC brake, and possibly vector control for executing the method according to the invention by a factor of 73 very low speeds or modification of the DC brake for precise positioning.
  • the education law for optimizing the motor system with the quotient 73 relates to three-phase asynchronous motors. It is possible to approximate this law of education on the number of pole pairs of the motor: suitable numbers of pole pairs which result in technically sensible solutions and speed ranges and which allow interchangeability of the motors are 1, 2, 3, 5, 9 , etc., ie at a Approximation of the Education Act on the number of pole pairs, motors are to be provided, each of which is 2-pole, 4-pole, 6-pole, 10-pole, 18-pole, etc.
  • a motor system is more likely to be considered, in which the frequency bands of the motors overlap by one or two frequency steps: of two "neighboring" motors that correspond to successive terms of the geometric sequence can here (with one correspondingly predefined operating frequency f., for example of 50 Hz), one of which can be operated in a frequency band from zero to the frequency f -im, 73.f -L., 3.fJ.L or 373 " .f" L the other optionally in a frequency band from zero to the frequency ⁇ . f., 9f., 9. t. and 27.f.
  • the operating voltage / operating frequency characteristic values which can be supplied to the control preferably form a geometric sequence in the ratio 1: 7 * 2: 2: 272, i.e. with the quotient 72 as the education law.
  • the above explanations regarding the case of the three-phase motor can be transferred to the four-phase motor, and the usable frequency range (and thus the speed range) that can be detected with such a motor system can be expanded by a corresponding factor 8 or 472 or 4.
  • the dependence of the stator current on its frequency and on the stator voltage can be determined and the operating voltage / operating frequency characteristic value of the motor connected to the inverter and, depending on it and the circuit, determined of the inverter in star connection or delta connection or square connection, which operating voltage / operating frequency characteristic values of the control can be entered.
  • the associated frequency of the braking pulses is also derived during the braking process, so that there is always an optimal adaptation to the inductive to be braked Load results.
  • a device for executing the method according to the invention comprises the various means required for this and in particular - means for setting a target speed;
  • FIG. 1 shows a basic block diagram of a device for carrying out the method according to the invention
  • 2 shows a basic block diagram of a control part of the device for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a graphic representation of the course of the frequency of the stator current over time and an enlarged section of this course.
  • 1 shows a device for executing the method according to the invention using the example of a three-phase asynchronous motor.
  • the device initially comprises a supply part SP of a three-phase asynchronous motor M and a control part ST for the supply part SP.
  • a rectifier G comprises 6 similar diodes D and a smoothing capacitor K.
  • the rectifier G draws electrical energy in the form of alternating current from an alternating voltage network R, S, T, for example of 220/380 volts. 50 Hz, and supplies electrical energy in the form of "direct current between the terminals P, Q. Direct voltage from any suitable source could also be fed in between these terminals. P, Q.
  • an inverter W comprises 6 similar switchable semiconductor elements H, for example of the IGBT type ("isolated gate bipolar transistor").
  • the inverter W draws electrical energy in the form of direct current between the terminals P ', Q' and supplies electrical energy in the form of alternating current of variable frequency at the terminals U, V , W and the three-phase stator of the asynchronous motor M.
  • the control part ST depending on the phase of the Stator current on the
  • Terminals U, V, W, the motor M is then operated, accelerated or braked by the electrical energy supplied by the inverter W.
  • this function is controlled by a microcomputer MC contained in the control part ST, but could also be carried out in another known manner.
  • the terminals P and P ' are directly connected to one another, while the terminals Q and Q 1 are connected to one another via a measuring resistor MW, so that the direct current flowing between the terminals P and P' or Q and Q 1 flows through the Voltage drop across the measuring resistor MW is measurable. To evaluate this voltage drop, it is fed from the measuring resistor MW to the control part ST (terminals x, x ').
  • a feed line leads from the AC voltage network R, S, T (terminals S, T in the example shown) to the control part ST.
  • a possible voltage failure on the AC voltage network R, S, T is determined in the control part ST, whereupon the control part ST automatically draws its supply from an auxiliary supply line (terminals a ', b') which in turn draws electrical energy from the motor M (terminals V, W) via an insulation transformer IT.
  • the control part ST continues to be supplied with electrical energy in the event of a power failure.
  • the control of this function is also carried out by the microcomputer MC, which is also programmed so that it immediately initiates a braking operation when this situation occurs.
  • the supply of the control part ST in the event of a power failure on the network is precisely the electrical energy that the motor generates during the braking process, and this until the motor has become essentially energy-free, so that a high degree of safety of the drive is guaranteed.
  • a further switchable semiconductor element Z for example of the same type as the semiconductor elements H, is provided in the control part ST.
  • the semiconductor element Z is normally not conductive.
  • the semiconductor element Z is switched on by the control part ST (terminal z) in order to connect the terminals P, Q via a load resistor LW and thus protect the smoothing capacitor K against overvoltage.
  • the semiconductor elements H are controlled as a function of the phase of the stator current at the terminals U, V, W in such a way that the three-phase stator current of the motor M supplies electrical energy which is generated by the inverter W in Gleichro (terminals P ', Q ") is converted, which is then switched through by the semiconductor element Z (terminal z) to the load resistor LW. Thereupon the mechanical energy stored in the motor M is thermally consumed in the load resistor LW and the motor M is braked.
  • Hyesis window with a predetermined maximum value and Lowest value (for example, 650 to 750 volts) is defined, and the load resistor LW is switched on (semiconductor element Z is turned on by control part ST, terminal z) when the DC voltage at smoothing capacitor K is within this hysteresis window. If the DC voltage at the smoothing capacitor K exceeds the predetermined maximum value, the load resistor LW remains switched on, but the control part ST causes the inverter W (terminals u, u ', v, v', w, w ') to pass the stator current to switch off braking motor M.
  • the motor M Since the motor M is no longer excited and therefore does not work as a generator, the DC voltage at the smoothing capacitor K drops because the electrical energy stored in the smoothing capacitor K is thermally consumed in the load resistor LW. During this time, the frequency change at the inverter W is also stopped by the control part ST. Since the motor M continues to run without being braked, the motor M and the inverter W maintain approximately the same circulation speed (speed of the motor M, frequency of the inverter w).
  • the control part ST causes the inverter W (terminals u, u ', v, v', w, w ') to switch on the stator current again, so that the motor M is excited again and works again as a generator, whereby the braking process is continued.
  • the control of this function is also performed by the microcomputer MC.
  • Such a repeated braking process is of course less effective than a continuous braking process.
  • the cause is an excessively high load resistance LW, and it is expedient to have this signaled by the control part ST or by the microcomputer MC.
  • the braking process and the acceleration process correspond to each other, only the current flows through the measuring resistor MW into one or the other Direction and the frequency change in one direction or the other (increase or decrease).
  • control part ST The function of the control part ST is illustrated in FIG. 2 with the aid of a block diagram.
  • the control part ST is first given a current-carrying variable which determines a desired effective value of the three-phase stator current of the motor M during the speed change (acceleration or braking) in the control part ST, which value should not be exceeded significantly.
  • the current control variable can be set digitally or otherwise in the control section ST, for example: in FIG. 2, a digital value is entered into the memory 1 via the lines 2 (only four of them have been shown to represent the required number of lines).
  • the control part ST is inputted with a target rotational speed of the motor M to be achieved.
  • the setpoint speed can also be set digitally on the control part ST, for example, or entered in some other way: in FIG. 2, a digital value is entered into the memory 3 via the lines 4 (again, only 4 of these have been shown here).
  • this entered target rotational speed of the motor M is related to the motor used in each case via the quotient 73 (as a law of formation for the sequence of motors in the motor system) and must be selected accordingly. If a relative value is entered into the control part ST instead of the absolute target speed, for example a percentage value between 0 and 100% of the maximum permissible speed, the control part ST can automatically ensure that the entered relative value with the appropriate factor is multiplied from the sequence formed by ⁇ as the quotient in order to give the absolute setpoint speed of the motor M required by the control part ST.
  • the predetermined frequency change rate is input to the control part ST. This can be entered with advantage of the same memory 3 and in the same way as the target speed of the motor M, since both sizes are in the same unit (dimensionless number per unit of time).
  • the frequency change rate because they are normally not changed often, could be input to the input device 7 described in more detail below.
  • the speed is fed to the microcomputer MC, which now determines whether the frequency of the stator current is to be increased or decreased in order to achieve the target speed of the motor M by changing the frequency of the electrical rotating field. According to this finding, i.e. In accordance with the meaning of the resulting change in speed, the microcomputer MC causes the control part ST to control the inverter W in such a way that the frequency of the stator current is changed at the predetermined frequency change rate.
  • the microcomputer MC now compares the target speed with the frequency of the stator current resulting from the change.
  • the microcomputer MC takes into account that the target speed of the motor M results from the difference between the frequency of the stator current and the slip frequency of the motor M.
  • the microcomputer MC If the microcomputer MC now determines that the target rotational speed is essentially reached with this change in the frequency of the stator current, it causes no further action to be taken, since the desired result has been achieved. Otherwise, the microcomputer MC causes it to continue as follows. in response to the change in the frequency of the stator current, its effective value changes. This will now measured as voltage drop across the measuring resistor M and fed to the control part ST (terminals x, x *). In the circuit part 5, which comprises, for example, an A / D converter and an amplifier, this voltage drop is detected and processed to a value which is fed to the microcomputer MC. The microcomputer MC compares this supplied value with the current control variable, and the result of the comparison is evaluated, as has already been described above.
  • the frequency of the stator current increases gradually over time.
  • the target rotational speed is essentially reached with the last change in the frequency of the stator current, and then the microcomputer MC causes the frequency not to be changed any further, ie the desired result has been reached and the control part ST now keeps the speed of the motor M constant at the value reached.
  • the course of the frequency of the stator current over time is described below in connection with FIG. 3.
  • a monitoring device 6 connected to the microcomputer MC for the power supply of the control part ST accomplishes the switching of this power supply between the supply line to the alternating voltage network R, S, T (terminals a, b) and the auxiliary supply line to the isolation transformer, as already described IT (terminals a ', b').
  • This measure ensures that the control part ST continues to be supplied with electrical energy in the event of a voltage failure in the AC voltage network, which in particular makes it possible to optimally brake the motor M in the event of a voltage failure in the AC voltage network, and thus contributes to safety when using the driven machine.
  • the data required by the microcomputer MC such as the operating voltage / operating frequency characteristic *
  • an input device generally designated 7 is provided.
  • a general reference 8 for displaying and / or outputting the data provided by the microcomputer MC such as, among other things, and for example signaling field weakening in the motor M, acceleration, braking, reaching the desired speed, etc.
  • Output and / or display device provided.
  • FIG. 3 shows graphically how the course of the frequency f of the stator current is controlled over time t. An enlarged section of the course to be described is also shown.
  • a change in the frequency of the stator current by the resulting frequency increase increases the effective value of the stator current in such a way that, due to the load torque, the current carrying magnitude at least slightly exceeded for a short time and therefore kept the frequency constant is (characteristic curve FK in enlarged section). Since the motor changes its speed accordingly, the effective value of the stator current decreases with keeping the frequency constant and as a result of the conversion of the supplied electrical energy into rotational energy again below the current control variable, so that the next change in the frequency of the stator current begins ( Characteristic like FA in the enlarged section). The frequency of the stator current is stepped (characteristic curves FA, FK).
  • the frequency change rate is chosen small enough, the steps are so small that they are practically imperceptible, and the resultant variation in the speed of the motor M over time is essentially (ie macroscopically) continuous as it is 3 with the characteristic curve FF representing the effective speed (this characteristic curve FF is repeated in the enlarged section and is shown there with its real garland shape).
  • the frequency f of the stator current reaches its setpoint f, and the speed of the motor M results from this taking into account the slip.
  • characteristic curve FB representing the effective speed for braking the motor M: it is essentially symmetrical to the characteristic curve FF.
  • both characteristic curves FF and FB run essentially continuously and parabolically until the corresponding setpoint f or zero is reached, and both microscopically run essentially as a feston, ie garland-shaped: because of the extensive analogy of the characteristic curves FB and FF are omitted in FIG. 3 from a separate representation of an enlarged section of the characteristic curve FB.
  • the microcomputer MC can measure the time duration of the frequency increase (characteristic curves FA or FA 1 ) which results at a predetermined frequency change rate: this time duration corresponds to the electrical time constant of the motor under dynamic conditions at the predetermined level predetermined by the current carrying variable The current.
  • the microcomputer MC can also measure the total duration of the speed increase per frequency step at a constant frequency (characteristic curves FA and FK). This period of time ( “motor ramp-up time”) is required by the motor in order to comply with the speed and thus to bring about a corresponding decrease in the effective value of the stator current, which in turn triggers the next frequency increase (characteristic curve FA 1 ): this time period corresponds to the mechanical time constant of the motor determined by the moment of inertia.
  • These two measured duration values describe an important operating parameter of the motor M and its mechanical load, ie of the entire drive: a measure of the "torsional rigidity of the drive" already mentioned can be obtained from this.
  • the frequency change rate so large that, as a result of the rms value of the stator current that has risen sharply, the frequency also remains macroscopically constant at times, so that the characteristic curve of the resulting variation in the speed over the Time essentially as a feston, ie garland-shaped.
  • the characteristic curve FF of FIG. 3 then also runs as a feston, ie garland-shaped, without enlargement, as is shown in the detail of FIG. 3.
  • microcomputer MC important additional functions of the microcomputer MC consist in controlling the special methods already mentioned above, namely: the optimized stopping method at the end of a deceleration, the switching between star connection and delta connection while keeping the magnetic conditions of the stator constant, and the automatic adaptation to different motors of a system of coordinated motors in turn while keeping the magnetic relationships of the stator constant.
  • control part ST various functions in the control part ST are perceived and carried out by a microcomputer MC. This is to be understood as an example: such functions can also be performed by circuits and

Abstract

Der Ständerstrom hat eine variable Frequenz, diese wird mit einer vorbestimmten Frequenzänderungsrate geändert. Der resultierende Effektivwert des Ständerstroms wird mit der Stromführungsgrösse verglichen. Falls er grösser ist, wird die Frequenz nun konstant gehalten. Falls diese dann der Soll-Drehzahl entspricht, wird das Verfahren beendet, anderenfalls setzt die Frequenzänderung wieder ein, sobald der Effektivwert kleiner wird als die Stromführungsgrösse. Ein Wechselspannungsnetz kann den Motor über einen Gleichrichter und einen Wechselrichter betreiben, beschleunigen oder bremsen, bei Spannungsausfall wird der Ständerstrom zu einem Lastwiderstand durchgeschaltet. Die Variation der Drehzahl kann stetig oder girlandenförmig verlaufen, aus Form und Grösse eines Festonelements kann ein Mass für die ''Drehsteifigkeit des Antriebs'' gewonnen werden. Bei Umschaltung zwischen Sternschaltung und Dreieckschaltung kann der Frequenzbereich ausgeweitet werden, um das Drehmoment im wesentlichen gleich zu halten. Zur Ausführung des Verfahrens kann ein Motorensystem von aufeinander mit ∑3 oder ∑2 als Quotient der Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwerte abgestimmten Mehrphasen-Asynchronmotoren von gleichem Drehmoment bereitgestellt werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Aenderung der Ist-Drehzahl eines Mehrphasen-Asynchronmotors, und zur Ausführung des Verfahrens geeignetes Motorensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aenderung der Ist-Drehzahl eines Mehrphasen-Asynchronmotors bis zur Erreichung einer Soll-Drehzahl, wobei der mehrphasige Ständerstrom des Motors eine variable Frequenz aufweist und sein Effektivwert in Abhängigkeit von einer Stromfüh¬ rungsgrösse bestimmt wird, sowie eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens und ein zur Ausführung des Ver¬ fahrens geeignetes Motorensystem.
Die Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments eines Mehrphasen-Asynchronmotors ist an sich wohlbekannt und kann beispielsweise mittels eines Wechselrichters erfol¬ gen.
Beispielsweise ist aus DE-3737633 bekannt, den Stän¬ derstrom des Motors mit einer Stromführungsgrösse zu ver- gleichen, um daraus den vom Wechselrichter dem Motor zu liefernden Ständerstrom und dessen Frequenz abzuleiten. Auf diese Weise kann die Drehzahl des Motors auf einen gewünschten Wert gebracht und gehalten werden und dabei das Drehmoment des Motors entsprechend der Stromführungs- grösse gesteuert werden. Es handelt sich bei diesem Stand der Technik um eine typische Strombegrenzungsregelung für den Dauerbetrieb des Motors, deren Zweck es ist, die Leistung des Motors im Dauerbetrieb (d.h. unter im we¬ sentlichen konstanten Bedingungen) optimal zu steuern. zur optimalen Steuerung des Motors im transienten Betrieb, d.h. bei sich verhältnismässig schnell ändernden Bedingungen (dynamische Steuerung von gewünschten Dreh¬ zahländerungen gegebenenfalls bei variabler Belastung) werden keine Vorkehrungen getroffen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der ein¬ gangs genannten Art, eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens und ein zur Ausführung des Verfahrens geeig¬ netes Motorensystem anzugeben, mit welchen im transienten Betrieb stets der maximal nutzbare Drehzahlbereich des verwendeten Motors verfügbar ist und im Motorensystem mit einem Minimum an Motordefinitionen ein Maximum an Dreh¬ zahlbereich abgedeckt werden kann, insbesondere weil die Regelung der Drehzahl keine Begrenzung des Ständerstro s und keine Absenkung der Ständerspannung unter die für den Motor zulässigen Höchstwerte benötigt. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass (1) die statischen Eigenschaften eines Mehrphasen-Asynchron¬ motors im wesentlichen genügend definiert werden, wenn eine Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie des Motors angegeben wird, die ihrerseits von der magnetischen Sättigung der Eisenteile im Motor bestimmt wird, und (2) die dynami¬ schen Eigenschaften des Motors durch je eine elektrische und eine mechanische Zeitkonstante bestimmt werden, wo¬ raus sich ergibt, dass die Umwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie (oder umgekehrt bei Genera- torbetrieb) in einer durch den Motor bestimmten endlichen Zeit abläuft.
Das Zusammenwirken dieser statischen und dynamischen Eigenschaften des Motors ergibt, dass die Eigenschaften des Motors im wesentlichen genügend definiert werden, wenn ein Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert zu¬ sammen mit dem Drehmoment angegeben wird. Daraus ergibt sich wiederum, dass es möglich ist, für einen bestimmten Mehrphasen-Asynchronmotor bei stetiger Ständerspannung- Freguenz-Kennlinie den Ständerstrom über dessen Frequenz zu steuern, und zwar so, dass der Ständerstrom einen von einer Stromführungsgrösse vorbestimmten Wert beibehält, wenn die Betriebsbedingungen (Last, Drehzahl usw.) sich
**» ändern oder zu ändern sind. Dieser vorbestimmte Wert des Ständerstroms ist dabei im Prinzip frei wählbar. Um aber die bestmögliche Wirkleistung des Motors zu erhalten, ist der vorbestimmte Wert des Ständerstroms innerhalb des Bereiches zu wählen, in welchem das Drehmoment des Motors dem Ständerstrom etwa proportional ist. Folglich emp¬ fiehlt sich, die den Ständerstrom bestimmende Stromfüh¬ rungsgrösse so zu wählen, dass ein Drehmoment zwischen Null und dem Kippmoment des Motors erreicht wird. Daher ist die Stromführungsgrösse zwischen Null und demjenigen (vom der Magnetisierung abhängigen) Effektivwert des Ständerstroms zu wählen, mit welchem das Kippmoment er¬ reicht wird. Anhand dieser Erkenntnisse wird, zur Erreichung der eingangs angegebenen Aenderung der Drehzahl eines Mehr¬ phasen-Asynchronmotors, das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
(a) die Frequenz des Ständerstromε entsprechend dem Sinn der gewünschten Drehzahländerung mit einer vorbe¬ stimmten Frequenzänderungsrate geändert wird,
(b) der sich nun zufolge der Frequenzänderung ändernde
Effektivwert des Ständerstroms gemessen und mit der Stromführungsgrösse verglichen wird, (c) falls der gemessene Effektivwert des Ständerstroms grösser ist als die Stromführungsgrösse, die Fre¬ quenz zeitweise auf dem erreichten Wert gehalten wird,
(d) die erreichte Frequenz mit der Soll-Drehzahl vergli- chen wird,
(e) falls die erreichte Frequenz unter Berücksichtigung eines der Stromführungsgrösse entsprechenden Motor- Schlupfes der Soll-Drehzahl entspricht, die Frequenz definitiv auf dem erreichten Wert konstant gehalten wird, womit das Verfahren beendet ist,
(f) anderenfalls die Frequenz konstant gehalten wird, bis der nun zufolge der Drehzahländerung sinkende Effek¬ tivwert des Ständerstroms kleiner geworden ist als die Stromführungsgrösse, und dann die Folge von Ver- fahrensschritten ab Verfahrensschritt (a) wiederholt wird. Dabei kann die Drehzahländerung sowohl eine Beschleuni¬ gung als auch eine Abbre sung sein. Wenn der mehrphasige Ständerstrom des Motors von einem Wechselrichter gelie¬ fert wird, der elektrische Energie von einem Wechselspan- nungsnetz bezieht und über einen Gleichrichter als Gleich¬ strom erhält, kann der Motor von der bezogenen elektri¬ schen Energie beschleunigt oder gebremst werden. Der Motor wird auf jeden Fall gebremst, wenn der Wechselrichter bei Spannungsausfall am Wechselspannungsnetz elektrische En- ergie vom mehrphasigen Ständerstrom des Motors bezieht, in Gleichtrom wandelt und zu einem Energiespeicher und/oder Lastwiderstand durchschaltet.
Es ist möglich und im wesentlichen äquivalent, den Effektivwert des Ständerstroms auf der Wechselstromseite des Wechselrichters direkt oder auf der Gleichstromseite des Wechselrichters indirekt (beispielsweise als Span¬ nungsabfall an einem Messwiderstand) zu messen.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt die Drehzahländerung im wesentlichen unter Konstanthaltung des Drehmoments auf den der Stromführungsgrösse entspre¬ chenden Wert. Vereinfacht ausgedrückt wird beim erfin¬ dungsgemässen Verfahren der Energiefluss in den Läufer über die Frequenz bei frequenzproportionaler Ständer¬ spannung gesteuert. Damit wird verhindert, dass der Motor bei hohem Schlupf, vermindertem Wirkungsgrad und hoher Verlustleistung im Läufer in einem Bereich arbeitet, wo der Strom dem Drehmoment nicht proportional ist. Die Drehzahländerung kann insofern optimiert werden, als sie wahlweise z.B. mit dem maximal zulässigen Ständerstrom und Drehmoment (Kippmoment) oder z.B. mit dem maximal oder optimal mit der Last verträglichen Drehmoment er¬ folgt. Wird mit dem maximal zulässigen Drehmoment be¬ schleunigt oder gebremst, so entwickelt der Motor seine durch physikalische Grenzen gegebene bestmöglichen Eigen- schaften hinsichtlich Dynamik und Wirkungsgrad, d.h. er hat die kleinste elektrische und mechanische Zeitkon- stante. In anderen Worten, die Aenderungsrate der Dreh¬ zahl über die Zeit ist dann maximal.
Im Falle der Beschleunigung ist der Momentanwert der StänderSpannung von der momentanen Frequenz des Wechsel- richters abhängig, während die tatsächliche Ständerspan¬ nung von der Motorschaltung (Sternschaltung oder Dreieck¬ bzw. Viereckschaltung) abhängig ist, und der Maximalwert der möglichen Ständerspannung wird durch die von der Netz¬ spannung abhängigen Gleichspannung bestimmt. Damit wird automatisch immer die höchste mit der verwendeten Netz¬ spannung mögliche Antriebsleistung zum Motor geführt. Wenn die Variation der Ständerspannung über die Frequenz wegen nicht ausreichender Netzspannung vom charakteris¬ tischen Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert des Motors abweicht, tritt sogenannte Feldschwächung ein. Diese kann anhand der genannten Abweichung festgestellt und mit Vorteil (im Sinne einer Information über die ak¬ tuellen Betriebsbedingungen) signalisiert werden.
In einer ersten Ausführungsweise des Verfahrens kann die Frequenzänderungsrate so klein gewählt werden, dass die resultierende Variation der Drehzahl über die Zeit im wesentlichen stetig verläuft, weil der Effektivwert des Ständerstroms nicht merklich grösser wird als die Strom¬ führungsgrösse und somit die Frequenz während einer nur unmerklich kurzen Zeit konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck wird die Frequenzänderungsrate beispielsweise so gewählt, dass die resultierende Frequenzänderung etwa 3 bis 5 % der momentanen Frequenz, d.h. etwa die halbe Grosse des Schlupfes des Motors nicht übersteigt. Die geeignete Frequenzänderungsrate steht in Beziehung zur jeweiligen elektrischen Zeitkonstante des verwendeten Motors, dieser steht wiederum in Beziehung zum Motoren¬ system als relative Grosse. Eine geeignete Frequenzände¬ rungsrate beträgt beispielsweise 0,1 Hz/μs für eine Ver- endung zum Antrieb von Hochgeschwindigkeitsspindeln. In einer zweiten Ausführungsweise des Verfahrens kann die Frequenzänderungsrate so gross gewählt werden, dass die Kennlinie der resultierenden Variation der Dreh¬ zahl über die Zeit im wesentlichen als Feston, d.h. gir- landenförmig verläuft, weil der Effektivwert des Ständer- Stroms bei jeder Frequenzänderung merklich grösser wird als die Stromführungsgrösse und somit die Frequenz wäh¬ rend einer merklichen Zeitdauer konstant gehalten wird. Diese Zeitdauer, während der der Motor seine Drehzahl durch Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie erhöht, ist allein von bestimmten Eigenschaften des Antriebs abhängig, nämlich von einer induktiven elek¬ trischen Grosse, vom Wirkungsgrad des Motors, vom Träg¬ heitsmoment des Motors, vom Trägheitsmoment der Last sowie von dem von der Last bewirkten Belastungsmoment. Die genannte Zeitdauer ist also eine Folge der unmittel¬ bar vorangegangenen Frequenzänderung und steht in fester Beziehung damit, so dass die Form eines einzelnen Ele¬ ments des Festons die genannten Eigenschaften des An¬ triebs zu beschreiben erlaubt. Diese Eigenschaften des Antriebs weisen eine gewisse Analogie mit der Drehstei- figkeit einer Welle auf: sie können daher als "Drehstei- figkeit des Antriebs" bezeichnet werden. Die betreffende Analyse der Variation der Frequenz über die Zeit, also der Kennwerte (eine elektrische und eine mechanische Kon- stante) , welche die Form und Grosse eines Elements der girlandenförmigen Kennlinie bezeichnen, kann beispiels¬ weise mit Hilfe eines entsprechend programmierten Mikro¬ computers erfolgen, welcher daraus die Angabe eines Masses für die "Drehsteifigkeit des Antriebs" ableitet und gegebenenfalls zur Anzeige bringt.
Es ist dabei zu bemerken, dass es bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens nicht nötig ist, die Drehzahl des Motors oder dessen Schlupf zu messen. Insbe¬ sondere wird kein Drehzahlsensor benötigt. Entsprechend einfach ist daher die zur Ausführung des erfindungsgemäs¬ sen Verfahrens benötigte Einrichtung. Der Schlupf stellt sich von selbst im wesentlichen auf den konstanten Wert ein, der von der Stromführungsgrösse bestimmt wird. Somit stellt sich auch eine konstante Verlustleistung ein, was die thermischen und kinetischen Betriebsbedingungen vor- teilhaft konstant hält, wenn die stromführungsgrösse gleich dem Arbeitsstrom gewählt wird.
Bei einer Abbremsung kann vor Durchführung der nächsten Frequenzänderung festgestellt werden, dass die Frequenz des Ständerstroms kleiner ist als ein vorbe- stimmter Grenzwert, und der Wechselrichter kann dann so gesteuert werden, dass er dem Ständer des Motors Gleich¬ strom zuführt, um den Läufer zu stoppen, oder als vektor¬ gesteuerten Gleichstrom diesen Vorgang zu verwenden, um den Läufer bzw. einen vom Läufer bewegten Gegenstand mit Hilfe von Positionssensoren in eine definierte Position zu bringen oder sehr langsame Drehbewegungen ausführen zu lassen (Bereich niedrigster Drehzahlen) . Dabei kann die Intensität des Gleichstroms zunächst während einer vorbe¬ stimmten Zeitdauer im wesentlichen gleich dem Effektiv- wert des Motor-Nennstroms sein und danach auf einen Bruch¬ teil der genannten Intensität reduziert werden. Auch die¬ se Vorgänge können beispielsweise mit Hilfe eines ent¬ sprechend programmierten Mikrocomputers erfolgen.
Um die im vorangehenden beschriebenen Funktionen auszuführen, umfasst eine dem Wechselrichter vorgeschal¬ tete Steuerung einen Mikrocomputer, der entsprechend pro¬ grammiert ist, unter anderem um dem Wechselrichter zum geeigneten Zeitpunkt die geeigneten Signale für die Zündung von schaltbaren Halbleiterelementen beispielswei- se vom Typ IGBT ("isolated gate bipolar transistor") . Dieser Steuerung bzw. ihrem Mikrocomputer werden unter anderem die Stromführungsgrösse und die Fre uenzände- rungsrate sowie der charakteristische Betriebsspannung/ Betriebsfrequenz-Kennwert und der Ständerstrom für das maximale Drehmoment des verwendeten Mehrphasen-Asynchron¬ motors beispielsweise manuell eingegeben. Auf der Gleich- stromseite des Wechselrichters ist beispielsweise ein •_. . Messwiderstand in Reihenschaltung zwischen dem Gleich¬ richter und dem Wechselrichter vorgesehen, um den Stän¬ derstrom als Wert eines Spanungsabfalls an diesem Mess- widerstand zu messen, wobei dieser Wert der Steuerung bzw. ihrem Mikrocomputer zugeführt wird.
Die Tatsache, dass das erfindungsge ässe Verfahren vom konstanten charakteristischen Betriebsspannung/Be¬ triebsfrequenz-Kennwert eines Mehrphasen-Asynchronmotors bei Abgabe des Nenndrehmomentes im Dauerbetrieb ausgeht, um den Motor über die Frequenz des Ständerstroms zu steu¬ ern, hat auch zur Folge, dass es mit einfachen Mitteln möglich ist, den mit einem gegebenen Mehrphasen-Asyn¬ chronmotor nutzbaren Frequenzbereich wesentlich zu erwei- tem.
Wenn nämlich der Betrieb des Wechselrichters zwi¬ schen der Speisung des Motors entsprechend dessen Be¬ triebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert für Sternschal¬ tung und der Speisung des Motors entsprechend dessen Be- triebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert für Dreieck¬ schaltung (bei einem dreiphasigen Motor) bzw. Viereck¬ schaltung (bei einem vierphasigen Motor) umgeschaltet und gleichzeitig der der Steuerung eingegebene Betriebsspan¬ nung/Betriebsfrequenz-Kennwert um einen Faktor 73 bzw. J2 vermindert wird, kann der nutzbare Drehzahlbereich bei im wesentlichen gleichbleibendem Drehmoment um den gleichen Faktor 73 bzw. 7 erhöht werden, was auch die Antriebs¬ leistung um den gleichen Faktor 73 bzw. 7 erhöht.
Es ist aber auch möglich, gleichzeitig die Frequenz des Ständerstroms im gleichen Sinn um den gleichen Faktor zu ändern wie der der Steuerung eingegebene Betriebsspan¬ nung/Betriebsfrequenz-Kennwert, derart, dass die Magneti¬ sierungsverhältnisse im Ständer und somit auch das Dreh¬ moment des Motors konstant bleiben. Bei einem dreiphasigen Motor bilden die von der
Steuerung zuführbaren Betriebsspannung/Betriebsfreguenz- Kennwerte vorzugsweise eine geometrische Folge im Ver¬ hältnis 1:73:3:373, d.h. mit dem Quotienten 73 als Bil¬ dungsgesetz. Dann umfasεt der nutzbare Drehzahlbereich eines gegebenen, durch Drehmoment und Betriebsspannung/ Betriebsfrequenz-Kennwerte für Stern- bzw. Dreickschal- tung definierten dreiphasigen Motors nacheinander (a) einen ersten Bereich, bei welchem der Motor in Stern¬ schaltung gespeist wird und der dem Wechselrichter ein¬ gegebene Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert um einen Faktor J2 höher liegt als der den Motor definier¬ ende Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert für Stern¬ schaltung (hohe Sättigung) , (b) einen zweiten Bereich, bei welchem der Motor weiterhin in Sternschaltung gespe¬ ist wird und nun der dem Wechselrichter eingegebene Be- triebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert gleich dem den Motor definierenden Betriebsspannung/Betriebsfrequenz- Kennwert für Sternschaltung ist (normale Sättigung) , (c) einen dritten Bereich, bei welchem der Motor in Dreieck¬ schaltung gespeist wird und der dem Wechselrichter ein- gegebene Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert um einen Faktor 73 tiefer liegt als der den Motor definier¬ ende Betriebsspannung/Betriebsfreguenz-Kennwert für Drei¬ eckschaltung (normale Sättigung) , (d) einen vierten Be¬ reich, bei welchem der Motor weiterhin in Dreieckschal- tung gespeist wird und nun der dem Wechselrichter ein¬ gegebene Betriebsspannung/ Betriebsfrequenz-Kennwert wieder um einen Faktor tiefer liegt als der den Motor definierende Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert für Dreieckschaltung und damit den Motor schwächer sättigt, aber nochmals eine Drehzahlerhöhung um einen Faktor 73 bringt. Diese Folge von möglichen Betriebsbe¬ reichen erlaubt, den Motor von den niedrigsten Drehzahlen (Abbremsvorgang, Positioniervorgang) bis zur höchsten zulässigen Oberflächengeschwindigkeit des Läufers zu be- treiben, was für einen einzigen Motor einen nutzbaren
Drehzahlbereich mit zueinander im Verhältnis 1:1000 oder mehr stehender niedrigster und höchster erreichbarer Drehzahl ergibt. Mit Ausnahme des Bereiches, bei welchem schwächere Sättigung eintritt, wird dabei der Motor mit dem Nenndrehmoment betrieben. Der hier erreichte Dreh- zahlbereich wird mit konventioneller Antriebstechnik durch 5 verschiedene Motorentypen erreicht.
Ausserdem ist es dabei möglich, in einem Motorensyε- tem eine Folge von Dreiphasen-Asynchronmotoren bereitzu¬ stellen, die durch ihr gleiches maximales Drehmonent (um die maximale Leistungen gleicher Läufergeometrie bestim¬ men zu können) und ihre voneinander verschieden definier¬ ten Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwerte (bzw. durch den jeweiligen Umkehrwert in Hz/Volt) bestimmt sind. Dabei ist der einem dieser Motoren entsprechende Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert jeweils eines der Glieder einer mit 73 als Quotient gebildeten geome¬ trischen Folge, so dass die Motoren dieses Motorensystems untereinander und in Verbindung mit dem Wechselrichter mit dem Quotienten 73 als Bildungsgesetz abgestimmt sind. Ein solches Motorensystem ist Gegenstand der Erfindung, und ein beliebiger dieser Motoren eines solchen Motoren¬ systems wird dann an den Wechselrichter angeschlossen, wobei zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens über den Faktor 73 im Wechselrichter eine automatische Anpassung bezüglich Frequenzänderungsrate, Gleichstrom¬ bremse, gegebenenfalls Vektorsteuerung für sehr niedrige Drehzahlen oder Abwandlung der Gleichstrombremse zum präzisen Positionieren erfolgt.
Dabei bezieht sich das Bildungsgesetz zur Opti ie- rung des Motorensystems mit dem Quotienten 73 auf Drei¬ phasen-Asynchronmotoren. Es ist möglich, eine Näherung dieses Bildungsgesetzes über die Anzahl der Polpaare des Motors zu erreichen: geeignete Anzahlen von Polpaaren, welche technisch sinnvolle Lösungen und Drehzahlbereiche ergeben und die Austauschbarkeit der Motoren unterein¬ ander erlauben, sind 1, 2, 3, 5, 9, usw., d.h. bei einer Näherung des Bildungsgesetzes über die Anzahl der Pol¬ paare sind Motoren bereitzustellen, die jeweils 2-polig, 4-polig, 6-polig, 10-polig, 18-polig usw. sind.
Von zwei solchen im Motorensystem "benachbarten" Motoren, die zwei aufeinanderfolgenden Gliedern der geo¬ metrischen Folge entsprechen, kann (bei einer entspre¬ chend vorgegebenen Betriebsfrequenz f. beispielsweise von 50 Hz) der eine wahlweise in einem Frequenzband von Null bis zur Frequenz f., Jϊ. f . , 3.f. oder 373.f^ betrieben werden, während der andere wahlweise in einem Frequenz¬ band von Null bis zur Frequenz 9f. , 9j2. t . , 27.f. und 2773.f. betrieben werden kann. Den jeweiligen Betriebε- εpannung/Betriebεfreguenz-Kennwerten dieser beiden im Motorensystem definierten "benachbarten" Motoren entspre- chen somit zwei Glieder einer geometrischen Folge, die mit 9 als Quotient gebildet ist. Mit solch zwei Motoren kann ein etwa 47mal grösserer Frequenzvariationsbereich erhalten werden als mit einem einzigen Motor innerhalb eines einzigen Frequenzvariationsbereiches. Aus Gründen der praktiεchen Anwendung wird eher ein Motorenεystem in Betracht gezogen, bei welchem die Frequenzbänder der Motoren um jeweils eine oder zwei Fre¬ quenzstufen überlappen: von zwei "benachbarten" Motoren, die aufeinanderfolgenden Gliedern der geometrischen Folge entsprechen, kann hier (bei einer entsprechend vorgegebe¬ nen Betriebsfrequenz f. beispielsweise von 50 Hz) der eine wahlweise in einem Frequenzband von Null bis zur Frequenz f -i.m., 73.f -L., 3.fJ.L oder 373".f«L. betrieben werden, während der andere wahlweise in einem Frequenzband von Null bis zur Frequenz ϊ. f . , 9f., 9 . t . und 27.f. (bei Ueberlappung um jeweils eine Frequenzstufe) bzw. bis zur Frequenz 3.f., 373.f., 9f. und*973~.fj (bei Ueberlappung um jeweils zwei Frequenzstufen) betrieben werden kann. Den jeweiligen Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwer- ten dieser im Motorensystem "benachbarter" Motoren ent¬ sprechen somit zwei Nachbarglieder einer geometrischen Folge, die mit 373 bzw. 3 als Quotient gebildet iεt. Mit solch zwei "benachbarten" Motoren kann ein um 973 bzw..27 grösserer nutzbarer Frequenzbereich (und somit Drehzahl¬ bereich) erfasst werden, als mit einem dieser beiden Motoren allein erfasst werden könnte.
Bei einem vierphasigen Motor bilden die der Steue¬ rung zuführbaren Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kenn¬ werte vorzugsweise eine geometrische Folge im Verhältnis 1:7*2:2:272, d.h. mit dem Quotienten 72 als Bildungsge- setz. Die vorstehenden Erläuterungen zum Fall des drei¬ phasigen Motors lassen sich auf den vierphasigen Motor übertragen, der mit einem solchen Motorensystem erfass¬ bare nutzbare Frequenzbereich (und somit Drehzahlbereich) kann um einen entsprechenden Faktor 8 bzw. 472 bzw. 4 erweitert werden.
Erfindungsgemäss kann beim verwendeten Motor des Motorensystems die Abhängigkeit des Ständerstroms von desεen Frequenz und von der Ständerεpannung bestimmt und daraus ermittelt werden, welchen Betriebsspannung/Be- triebsfrequenz-Kennwert der an den Wechselrichter ange¬ schlossene Motor aufweist und, in Abhängigkeit davon und von der Schaltung des Wechselrichters in Sternschaltung oder Dreieckschaltung bzw. Viereckschaltung, welche Be¬ triebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwerte der Steuerung eingegeben werden können.
Aus der Zuordnung der Betriebsspannung/Betriebsfre¬ quenz-Kennwerte (bzw. deren Umkehrwert in Hz/Volt) zu den Motoren leitet sich beim Bremsvorgang auch die zugehörige Frequenz der Bremsimpulse ab, womit sich immer eine opti- male Anpassung an die jeweils zu bremsende induktive Last ergibt.
Eine Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäs- sen Verfahrens umfasst die verschiedenen dazu benötigten Mittel und insbesondere - Mittel zur Einstellung einer Soll-Drehzahl;
- Mittel zur Einstellung einer Stromführungsgrösse; - Mittel zur Einstellung einer Frequenzänderungsrate;
- Mittel zur Konstanthaltung der Frequenz des ständer- εtro s oder zu deren Aenderung mit der Frequenz¬ änderungsrate in Abhängigkeit von einem entsprechen- den Signal für die Freigabe der Aenderung;
- Mittel zur Messung eines Effektivwerts des Ständer¬ stroms;
- Mittel zum Vergleich des Effektivwerts des Ständer¬ stroms mit der Stromführungsgrösse und zur Abgabe eines entsprechenden Vergleichssignals; und
- Mittel zur Erzeugung des Freigabesignals in Abhängig¬ keit von den Vergleichssignalen. Diese Mittel werden weiter unten anhand eines Beispiels einer Ausführung der Einrichtung näher beschrieben. Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ein¬ richtung zur Ausführung des erfindungsgemäs- sen Verfahrens; Fig. 2 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Steue¬ rungsteils der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens; und Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verlaufes der Frequenz des Ständerstroms über die Zeit und einen vergrösserten Ausschnitt dieses Ver¬ laufes. In Fig. 1 wird eine Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens am Beispiel eines Dreipha¬ sen-Asynchronmotors erläutert. Die Einrichtung umfasst zunächst ein Speisungsteil SP eines Dreiphasen-Asynchron¬ motors M sowie ein Steuerungsteil ST für den Speisungs¬ teil SP dargestellt. Ein Gleichrichter G umfasst in üblicher Schaltung 6 gleichartige Dioden D und einen Glattungskondensator K. Der Gleichrichter G bezieht elek- trische Energie in Form von Wechselstrom aus einem Wech¬ selspannungsnetz R,S,T beispielsweise von 220/380 Volt, 50 Hz, und liefert elektrische Energie in Form"von Gleich¬ strom zwischen den Klemmen P,Q. Zwischen diesen Klemmen. P,Q könnte auch direkt Gleichspannung aus irgendeiner geeigneten Quelle eingespeist werden. Ein Wechselrichter W umfasst in üblicher Schaltung 6 gleichartige schaltbare Halbleiterelemente H beispielswe¬ ise vom Typ IGBT ("isolated gate bipolar transistor") . Der Wechselrichter W bezieht elektrische Energie in Form von Gleichstrom zwischen den Klemmen P',Q' und liefert elektrische Energie in Form von Wechselstrom variabler Frequenz auf den Klemmen U,V,W und zum dreiphasigen Ständer des Asynchronmotors M. Auf bekannte Weise, je nach dem Zeitpunkt der Ansteuerung der Halbleiterelemente H (Klemmen u,u! ,v,v' ,w,w') durch den Steuerungsteil ST in Abhängigkeit von der Phase des Ständerstroms auf den
Klemmen U,V,W, wird dann der Motor M von der vom Wechsel¬ richter W gelieferten elektrischen Energie betrieben, beschleunigt oder gebremst. Die Steuerung dieser Funktion wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem im Steuerungsteil ST enthaltenen Mikrocomputer MC wahrgenom¬ men, könnte aber auch auf andere bekannte Weise erfolgen. Die Klemmen P und P' sind miteinander direkt verbun¬ den, während die Klemmen Q und Q1 über einen Messwider¬ stand MW miteinander verbunden sind, so dass der zwischen den Klemmen P und P' bzw. Q und Q1 fliessende Gleichstrom über den Spannungabfall am Messwiderstand MW messbar ist. Zur Auswertung dieses Spannungsabfalls wird dieser vom Messwiderstand MW zum Steuerungsteil ST zugeleitet (Klem¬ men x,x') . vom Wechselspannungsnetz R,S,T (Klemmen S,T im dargestellten Beispiel) führt eine Speiseleitung (Klemmen a,b) zum Steuerungsteil ST.
Ein eventueller Spannungsausfall am Wechselspan¬ nungsnetz R,S,T wird im Steuerungsteil ST festgestellt, worauf der Steuerungsteil ST seine Speisung selbsttätig einer Hilfspeiseleitung (Klemmen a',b') entnimmt, die ihrerseits elektrische Energie vom Motor M (Klemmen V,W) über einen Isolationstransformator IT bezieht. Somit wird der Steuerungsteil ST bei Spannungsausfall weiterhin mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuerung auch dieser Funktion wird vom Mikrocomputer MC wahrgenommen, welcher zudem so programmiert ist, dass er beim Eintreten dieser Situation unverzüglich einen Bremsvorgang einleitet. Der Versorgung des Steuerungsteils ST bei Spannungsausfall am Netz dient gerade die elektrische Energie, die der Motor während des Bremsvorganges erzeugt, und dies bis der Mo¬ tor im wesentlichen energiefrei geworden ist, so dass ein hoher Sicherheitsgrad des Antriebs gewährleistet ist. Ausserdem ist im Steuerungsteil ST ein weiteres εchaltbares Halbleiterelement Z beispielsweise vom glei- chen Typ wie die Halbleiterelemente H vorgesehen. Das Halbleiterelement Z ist normalerweise nicht leitend.
Bei Spannungsüberhöhung am Glattungskondensator K wird das Halbleiterelement Z vom Steuerungsteil ST lei¬ tend geschaltet (Klemme z) , um die Klemmen P,Q über einen Lastwiderstand LW zu verbinden und so den Glattungskon¬ densator K vor Ueberspannung zu schützen.
Bei Spaηnungsausfall am Gleichrichter G werden die Halbleiterelemente H in Abhängigkeit von der Phase des Ständerstroms auf den Klemmen U,V,W so angesteuert, dass der dreiphasige Ständerstrom des Motors M elektrische Energie liefert, die vom Wechselrichter W in Gleichtro (Klemmen P',Q") gewandelt wird, der dann vom Halbleiter¬ element Z (Klemme z) zum Lastwiderstand LW durchgeschal¬ tet wird. Daraufhin wird die im Motor M gespeicherte me- chanische Energie im Lastwiderstand LW thermisch ver¬ braucht und der Motor M wird gebremst.
Auch bei diesem Vorgang ist der Glattungskondensator K vor Ueberspannung zu schützen, insbesondere wenn die Energie des Bremsvorgangs nicht genügend schnell in den Lastwiderstand LW gebracht werden kann. Dazu wird ein
Hyεteresefenster mit je einem vorgegebenen Höchstwert und Tiefstwert (beispielsweise 650 bis 750 Volt) definiert, und der Lastwiderstand LW ist angeschaltet (Halbleiter¬ element Z vom Steuerungsteil ST leitend geschaltet, Klem¬ me z) , wenn die Gleichspannung am Glattungskondensator K innerhalb dieses Hysteresefensters liegt. Uebersteigt die Gleichspannung am Glattungskondensator K den vorgegebenen Höchstwert, so bleibt der Lastwiderstand LW eingeschal¬ tet, aber der Steuerungsteil ST veranlasst den Wechsel¬ richter W (Klemmen u,u' ,v,v' ,w,w') den Ständerstrom des zu bremsenden Motors M abzuschalten. Da der Motor M nicht mehr erregt ist und daher nicht als Generator arbeitet, sinkt die Gleichspannung am Glattungskondensator K, weil die im Glattungskondensator K gespeicherte elektrische Energie im Lastwiderεtand LW thermisch verbraucht wird. In dieser Zeit wird auch die Frequenzänderung am Wechsel¬ richter W vom Steuerungsteil ST angehalten. Da der Motor M ungebremst weiterläuft, behalten der Motor M und der Wechselrichter W annähernd die gleiche Umlaufgeschwindig¬ keit (Drehzahl des Motors M, Frequenz des Wechselrichters w) . Wenn dann die Gleichspannung am Glättungskondenεator K unter den vorgegebenen Tiefεtwert geεunken ist (d.h. der Lastwiderstand LW den Glattungskondensator K genügend entladen hat) , veranlasεt der Steuerungsteil ST den Wech¬ selrichter W (Klemmen u,u' ,v,v' ,w,w') , den Ständerstrom wieder anzuschalten, so dass der Motor M wieder erregt ist und wieder als Generator arbeitet, wodurch der Brems¬ vorgang fortgesetzt wird. Die Steuerung ebenfalls dieser Funktion wird vom Mikrocomputer MC wahrgenommen.
Solch ein wiederholt aussetzender Bremsvorgang ist natürlich weniger wirksam als ein stetiger Bremsvorgang. Die Ursache liegt bei einem zu hochoh igen Lastwiderstand LW, und es ist zweckmässig, dies vom Steuerungsteil ST bzw. vom Mikrocomputer MC signalisieren zu lassen.
Grundsätzlich entsprechen der Bremsvorgang und der Beschleunigungsvorgang einander, nur fliesεt der Strom durch den Messwiderstand MW in die eine oder die andere Richtung und die Frequenzänderung erfolgt in die eine oder die andere Richtung (Anstieg oder Abfall) .
Die Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens wird nun unter besonderen Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 weitergeführt.
In Fig. 2 wird die Funktion des Steuerungsteils ST mit Hilfe eines Blockschaltbilds veranschaulicht.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird zunächst dem Steuerungsteil ST eine Stromführungs- grösse vorgegeben, die im Steuerungsteil ST einen ge¬ wünschten und nicht wesentlich zu überschreitenden Effek¬ tivwert des dreiphasigen Ständerstroms des Motors M wäh¬ rend der Drehzahländerung (Beschleunigung oder Bremsung) bestimmt. Die Stromführungsgrösse kann am Steuerungsteil ST beispielεweiεe digital eingeεtellt oder sonstwie ein¬ gegeben werden: in Fig. 2 wird ein Digitalwert dem Speicher 1 über die Leitungen 2 eingegeben (stellvertre¬ tend für die benötigte Anzahl Leitungen sind nur 4 davon dargestellt worden) . Ferner wird dem Steuerungεteil ST eine zu errei¬ chende Soll-Drehzahl des Motors M eingegeben. Auch die Soll-Drehzahl kann am Steuerungsteil ST beispielsweise digital eingestellt oder sonstwie eingegeben werden: in Fig. 2 wird ein Digitalwert dem Speicher 3 über die Lei- tungen 4 eingegeben (auch hier sind nur 4 davon darge¬ stellt worden) .
Es sei hier noch erwähnt, dass diese eingegebene Soll-Drehzahl des Motors M über den Quotienten 73 (als Bildungsgesetz für die Folge von Motoren im Motorensys- tem) mit dem jeweils verwendeten Motor in Beziehung steht und entsprechend zu wählen ist. Wird dem Steuerungsteil ST anstelle der absoluten Soll-Drehzahl ein relativer Wert eingegeben, beispielsweise ein prozentualer Wert zwischen 0 und 100 % der höchstzulässigen Drehzahl, so kann der Steuerungsteil ST selbεttätig dafür sorgen, dass der eingegebene relative Wert mit dem geeigneten Faktor aus der mit ϊ als Quotienten gebildeten Folge multipli¬ ziert wird, um die vom Steuerungsteil ST benötigte abso¬ lute Soll-Drehzahl des Motors M zu ergeben.
Ausserdem wird dem Steuerungsteil ST die vorbestimm- te Frequenzänderungsrate eingegeben. Diese kann mit Vor¬ teil demselben Speicher 3 und auf gleiche Weise wie die Soll-Drehzahl des Motors M eingegeben werden, da beide Grossen in derselben Einheit (dimensionslose Zahl pro Zeiteinheit) vorliegen. In einer Variante könnte die Frequenzänderungsrate, weil sie normalerweise nicht oft geändert werden, der weiter unten näher beschriebenen Eingabevorrichtung 7 eingegeben werden.
Die Drehzahl wird dem Mikrocomputer MC zugeführt, der nun feststellt, ob die Frequenz des Ständerstroms zu erhöhen oder zu vermindern ist, um die Soll-Drehzahl des Motors M durch Aenderung der Frequenz des elektriεchen Drehfeldes zu erreichen. Entsprechend dieser Feststel¬ lung, d.h. entsprechend dem Sinn der sich ergebenden Drehzahländerung, veranlasεt der Mikrocomputer MC, daεε der Steuerungsteil ST nun den Wechselrichter W so ste¬ uert, dass die Frequenz des Ständerstroms mit der vorbe¬ stimmten Frequenzänderungsrate geändert wird.
Der Mikrocomputer MC vergleicht nun die Soll-Dreh¬ zahl mit der aus der Aenderung resultierenden Frequenz des Ständerstroms. Dabei berücksichtigt der Mikrocomputer MC, dass sich die Soll-Drehzahl des Motors M aus der Dif¬ ferenz zwischen der Frequenz des Ständerstroms und der Schlupffrequenz des Motors M ergibt.
Falls der Mikrocomputer MC nun feststellt, dass die Soll-Drehzahl mit dieser Aenderung der Frequenz des Stän¬ derstroms im wesentlichen erreicht wird, veranlasst er, dass nichts weiteres unternommen wird, denn das gewünsch¬ te Resultat ist ja erreicht. Anderenfalls bewirkt der Mikrocomputer MC, dass wie folgt weitergefahren wird. in Antwort auf die Aenderung der Frequenz des Stän¬ derstroms ändert sich dessen Effektivwert. Dieser wird nun alε Spannungsabfall am Messwiderstand M gemessen und dem Steuerungsteil ST zugeführt (Klemmen x,x*). Im Schal¬ tungsteil 5, der beispielsweise einen A/D-Wandler und einen Verstärker umfasst, wird dieser Spannungsabfall erfasεt und zu einem Wert verarbeitet, der dem Mikrocom¬ puter MC zugeführt wird. Der Mikrocomputer MC vergleicht diesen zugeführten Wert mit der Stromführungsgrösse, und das Resultat des Vergleichs wird ausgewertet, wie bereits im vorangehenden beschrieben wurde. Als Folge davon erhöht sich die Frequenz des Stän¬ derstroms schrittweise über die Zeit. Zu einem gewissen Zeitpunkt wird die Soll-Drehzahl mit der zuletzt erfolg¬ ten Aenderung der Frequenz des Ständerstroms im wesentli¬ chen erreicht, und dann veranlasst der Mikrocomputer MC, dass die Frequenz nicht weiter geändert wird, d.h. das gewünschte Resultat ist erreicht und der Steuerungsteil ST hält nun die Drehzahl des Motors M auf dem erreichten Wert konstant. Der Verlauf der Frequenz des Ständerstroms über die Zeit wird weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben.
Im übrigen bewerkstelligt eine mit dem Mikrocomputer MC verbundene Ueberwachungsvorrichtung 6 für die Strom- verεorgung deε Steuerungsteils ST die bereits beschrie¬ bene Umschaltung dieser Stromverεorgung zwiεchen der Speiεeleitung zum Wechεelεpannungεnetz R,S,T (Klemmen a,b) und der Hilfspeiseleitung zum Isolationstransforma¬ tor IT (Klemmen a',b'). Diese Massnahme sichert, dass der Steuerungsteil ST bei Spannungsausfall am Wechselspan¬ nungsnetz weiterhin mit elektrischer Energie versorgt wird, was insbesondere ermöglicht, den Motor M bei Span¬ nungsausfall am Wechselspannungsnetz wie bereits be¬ schrieben optimal abzubremsen und somit einen Beitrag zur Sicherheit beim Gebrauch der angetriebenen Maschine leis¬ tet. zur Eingabe der vom Mikrocomputer MC benötigten Da¬ ten wie z.B. der Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kenn- *
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wert des Motors M ist eine allgemein mit 7 bezeichnete Eingabevorrichtung vorgesehen. Auch ist zur Anzeige und/oder Ausgabe der vom Mikrocomputer MC bereitgestell¬ ten Daten wie unter anderem und beispielsweise die Signa- lisierung von Feldschwächung im Motor M, Beschleunigung, Bremsung, Erreichung der Soll-Drehzahl usw., eine allge¬ mein mit 8 bezeichnete Ausgabe- und/ oder Anzeigevorrich¬ tung vorgesehen.
In Fig. 3 wird graphisch dargestellt, wie der Ver- lauf der Frequenz f des Ständerstroms über die Zeit t gesteuert wird. Es ist auch ein vergrösserter Ausschnitt des zu beεchreibenden Verlaufes dargestellt.
Eine Aenderung der Frequenz des Ständerεtroms um den sich ergebenden Frequenzanstieg (Kennlinie FA im ver- grösserten Ausschnitt) erhöht den Effektivwert des Stän- derεtromε so, dass zufolge des Lastmoments die Stromfüh- rungεgrösse zumindeεt für kurze Zeit geringfügig über¬ schritten und daher die Frequenz konstantgehalten wird (Kennlinie FK im vergrösserten Ausschnitt) . Da der Motor seine Drehzahl entsprechend ändert, sinkt der Effektiv¬ wert des Ständerstromε mit dem Konstanthalten der Fre¬ quenz und zufolge der Umwandlung der zugeführten elek¬ trischen Energie in Rotationsenergie wieder unter die Stromführungsgrösse, so dass die nächste Aenderung der Frequenz des Ständerstroms einsetzt (Kennlinie wie FA im vergröεεerten Ausschnitt) . Es ergibt sich ein stufiger Verlauf der Frequenz des Ständerstroms (Kennlinien FA,FK) . Wenn aber die Frequenzänderungsrate klein genug gewählt wird, sind die Stufen so klein, dass sie prak- tisch nicht wahrnehmbar sind, und die resultierende Vari¬ ation der Drehzahl des Motors M über die Zeit verläuft im wesentlichen (d.h. makroskopisch betrachtet) stetig, wie es in Fig. 3 mit der die effektive Drehzahl darstellenden Kennlinie FF gezeigt wird (diese Kennlinie FF ist im ver- grösserten Ausschnitt wiederholt und dort mit ihrer ech¬ ten Girlandenform dargestellt) . In einer optimalen Zeit T erreicht die Frequenz f des Ständerstroms ihren Sollwert f , und die Drehzahl des Motors M. ergibt sich daraus un- ter Berücksichtigung des Schlupfes.
Im vergrösserten Ausschnitt der Fig. 3 sind die Zei- tachse t und die Frequenzachse f wiederholt, die Schenkel des dargestellten Winkels α sind parallel zur Zeitachse t und zur Kennlinie FA des Frequenzanstiegs und die Fre¬ quenzänderungsrate ist somit gleich tg( ).
In Fig. 3 ist auch die die effektive Drehzahl dar- stellende Kennlinie FB für eine Bremsung des Motors M dargestellt: sie ist im wesentlichen symmetrisch zur Kennlinie FF. Beide Kennlinien FF und FB verlaufen makro¬ skopisch betrachtet im wesentlichen stetig und parabo¬ lisch, bis der entsprechende Sollwert f bzw. Null er- reicht ist, und beide verlaufen mikroskopisch betrachtet im wesentlichen als Feston, d.h. girlandenförmig: wegen der weitgehenden Analogie der Kennlinien FB und FF wird in Fig. 3 auf eine separate Darstellung eines vergrösser¬ ten Ausεchnitts der Kennlinie FB verzichtet. Der Mikrocomputer MC kann die Zeitdauer des Fre¬ quenzanstiegs (Kennlinien FA oder FA1) messen, die sich bei einer vorbestimmten Frequenzänderungsrate ergibt: diese Zeitdauer entspricht der elektrischen Zeitkonstante des Motors unter dynamischen Bedingungen bei dem vorge- gebenen, von der Stromführungsgröεse vorbestimmten Stän¬ derstrom.
Der Mikrocomputer MC kann auch die gesamte Zeitdauer des Drehzahlanstiege pro Frequenzstufe bei konstanter Frequenz (Kennlinien FA und FK) messen. Diese Zeitdauer (»Hochlaufzeit des Motors") wird vom Motor benötigt, um mit der Drehzahl nachzukommen und somit ein entsprechen¬ des Absinken des Effektivwerts des Ständerstroms zu be¬ wirken, das seinerseits wieder den nächsten Frequenzan¬ stieg (Kennlinie FA1) auslöst: diese Zeitdauer entspricht der durch das Trägheitsmoment bestimmten mechanischen Zeitkonstante des Motors. Diese beiden gemessenen Zeitdauerwerte beschreiben einen wichtigen Betriebsparameter des Motors M und seiner mechanischen Last, d.h. des gesamten Antriebes: daraus kann ein Mass für die bereits erwähnte "Drehsteifigkeit des Antriebs" gewonnen worden. Es ist daher zum Zwecke dieser Messungen vorteilhaft, die Frequenzänderungsrate so gross zu wählen, dass als Folge des dadurch stark angestiegenen Effektivwertes des Ständerstroms die Fre¬ quenz auch makroskopisch gesehen zeitweise konstant bleibt, so dass die Kennlinie der resultierenden Varia¬ tion der Drehzahl über die Zeit im wesentlichen als Feston, d.h. girlandenförmig verläuft. Die Kennlinie FF der Fig. 3 verläuft dann auch ohne Vergrösserung sichtbar als Feston, d.h. girlandenförmig, wie es im Auschnitt der Fig. 3 dargestellt ist.
Wenn die Frequenzänderungsrate im Verhältnis zur Hochlaufzeit des Motors hoch ist, ergeben sich längere Kennlinien FA und FK und eine entsprechend kleinere An¬ zahl von grösseren Elemente der girlandenförmigen Kennli- nie FF. Der Motor wird dann nicht optimal betrieben. Um¬ gekehrt ist der Antrieb um so reaktionsfähiger (um so "dynamischer"), als die Kennlinien FA und FK kürzer und die Elemente der girlandenförmigen Kennlinie FF zahl¬ reicher und kleiner sind. Zu Messzwecken empfiehlt sich daher, den Frequenzanstieg (Kennlinie FA oder FA1) so zu bewirken, dass der Effektivwert des Ständerstroms stets in Nähe der Stromführungsgrösse liegt, diese also nur soviel überschreitet, als es zur Gewährleistung der Mes¬ sung nötig ist, so dass die Frequenz auch nur kurze Zeit konstant gehalten wird (Kennlinie FK) . Der Mikrocomputer MC kann entsprechend programmiert werden.
Es sei hier noch erwähnt, dass wichtige zusätzliche Funktionen des Mikrocomputers MC darin bestehen, die im vorstehenden bereits angegebenen besonderen Verfahren zu steuern, nämlich: das optimierte Halteverfahren am Ende einer Abbremsung, die Umschaltung zwischen Sternschaltung und Dreieckschaltung unter Konstanthaltung der magneti¬ schen Verhältnisse des Ständers, und die automatische An- paεεung an verεchiedene Motoren eines Systems von auf¬ einander abgestimmten Motoren wiederum unter Konstanthal- tung der magnetischen Verhältnisεe des Ständers.
In der vorangehenden Beschreibung der Erfindung wer¬ den verschiedene Funktionen im Steuerungsteil ST von ei¬ nem Mikrocomputer MC wahrgenommen und ausgeübt. Dies ist als Beispiel zu verstehen: solche Funktionen können auch von auf bekannte Weise dazu ausgebildeten Schaltungen und
Baugruppen ("Hardware") wahrgenommen und ausgeübt werden.
Allgemein ist die Ausführung der Erfindung in keiner
Weise auf die im vorangehenden beschriebene, nur als Bei- εpiel angegebene Vorgehensweise beschränkt. Es sind dem Fachmann viele äquivalente Vorgehensweisen bekannt, deren Ausführung den Rahmen der Erfindung nicht verläεst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aenderung der Ist-Drehzahl eines Mehrphasen-Asynchronmotors bis zur Erreichung einer Soll- Drehzahl, wobei der mehrphasige Ständerstrom des Motors eine variable Frequenz aufweist und sein Effektivwert in Abhängigkeit von einer Stromführungsgrösse bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Frequenz des Ständerstroms entsprechend dem Sinn der gewünschten Drehzahländerung mit einer vorbe¬ stimmten Frequenzänderungsrate geändert wird,
(b) der sich nun zufolge der Frequenzänderung ändernde
Effektivwert des Ständerstroms gemessen und mit der Stromführungsgröεse verglichen wird,
(c) falls der gemessene Effektivwert des Ständerεtroms grösser ist als die Stromführungsgrösse, die Fre¬ quenz zeitweise auf dem erreichten Wert gehalten wird, (d) die erreichte Frequenz mit der Soll-Drehzahl vergli¬ chen wird,
(e) falls die erreichte Frequenz unter Berücksichtigung eines der Stromführungsgrösse entsprechenden Motor- Schlupfes der Soll-Drehzahl entspricht, die Frequenz definitiv auf dem erreichten Wert konstant gehalten wird, womit das Verfahren beendet ist,
(f) anderenfalls die Frequenz konstant gehalten wird, bis der nun zufolge der Drehzahländerung sinkende Effek¬ tivwert des Ständerstroms kleiner geworden ist als die Stromführungsgrösse, und dann die Folge von Ver¬ fahrensschritten ab Verfahrensschritt (a) wiederholt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasε der mehrphaεige Ständerstrom des Motors von einem Wechselrichter geliefert wird, der elektrische Energie von einem Wechselεpannungsnetz bezieht und über einen Gleichrichter als Gleichstrom erhält, derart, dass der Motor von der bezogenen elektrischen Energie beschleunigt oder gebremst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass "Feldschwächung im Motor" signalisiert wird, wenn die Variation der Ständerspannung über die Frequenz von einem charakteristiεchen Betriebsspannung/Betriebsfre¬ quenz-Kennwert des Motors abweicht.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter bei Spannungsausfall am Wechsel- εpannungεnetz elektriεche Energie vom ehrphaεigen Ständerstrom des Motors bezieht, in Gleichtrom wandelt und zu einem Lastwiderεtand durchεchaltet, um den Motor geführt zu bremεen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dasε der Wechselrichter bei .Spannungsausfall am Wechsel¬ spannungsnetz elektrische Energie vom mehrphasigen Stän- derstrom deε Motorε bezieht, um sich selbst sowie ihn steuernde Schaltungen mit elektrischer Energie zu verεor- gen.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter abgeschaltet wird, wenn die Span¬ nung am Lastwiderstand einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet, und bei gleichbleibender Frequenz wieder eingeschaltet wird, wenn die Spannung am Lastwiderstand einen vorgegebenen Tiefstwert unterschreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch "gekennzeichnet, dass die Frequenzänderungsrate so klein gewählt wird, dasε die reεultierende Variation der Drehzahl über die Zeit im weεentlichen stetig verläuft.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzänderungsrate so gross gewählt wird, dass die Kennlinie der resultierenden Variation der Dreh¬ zahl über die Zeit im wesentlichen als Feston, d.h. gir- landenförmig verläuft, und dass aus Kennwerten, welche die Form und Grosse eines Elements der girlandenförmigen Kennlinie bezeichnen, ein Mass für die Drehsteifigkeit deε belaεteten Motorε gewonnen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig der Betrieb des Wechselrichters wahl¬ weise zwischen einer Speisung des Motors entsprechend dessen Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert für Sternschaltung und für Dreieckschaltung bzw. Viereck- εchaltung umgeschaltet und die Frequenz des Ständerstromε um einen Faktor 73 bzw. 72 im entsprechenden Sinn geändert wird, derart, dass bei um den Faktor 73 bzw. 72 höherer Drehzahl das Drehmoment des Motors im wesentli¬ chen gleich bleibt.
10. Verfahren nach Anεpruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig ein zum Betrieb des Wechselrichters verwendeter Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert des Motors und die Frequenz des Ständerstroms im entspre- chenden Sinn um einen gleichen Faktor geändert werden, derart, dass das Drehmoment des Motors konstant bleibt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dasε )ζ) in einem Motorensystem mehrere voneinander verschie¬ dene und aufeinander abgestimmte Mehrphasen-Asyn- chronmotoren bereitgestellt werden, deren maximales Drehmoment das gleiche ist, während deren Betriebs¬ spannung/Betriebsfrequenz-Kennwert eines der Glieder einer mit 73 bzw. 7 als Quotient gebildeten geome- trischen Folge ist,
(1) einer der Motoren dieses Motorensystems an den Wech¬ selrichter angeschlossen wird,
(m) die Abhängigkeit des Ständerstroms von dessen Fre¬ quenz und von der Ständerspannung bestimmt und da- raus ermittelt wird, welchen Betriebsspannung/Be¬ triebsfrequenz-Kennwert der an den Wechselrichter angeschlossene Motor aufweist,
(n) der der Steuerung eingegebene Betriebsspannung/Be¬ triebsfrequenz-Kennwert in Abhängigkeit vom festge- stellten Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwert und von der Schaltung des Wechselrichters in Stern¬ schaltung oder Dreieckschaltung bzw. Viereckschal¬ tung bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daεs der Wert 73 bzw. 72 auch als Referenzwert für eine Anpasεung der Frequenzänderungεrate, eines am Motor vor¬ genommenen Bremsvorgangs und/oder eines mit Hilfe des Motors vorgenommenen vektorgesteuerten Positioniervor-- gangε an einen den jeweils verwendeten Motor charakte¬ risierenden Induktivitätswert verwendet wird.
13. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach An¬ spruch 1, gekennzeichnet durch - Mittel zur Einstellung einer Soll-Drehzahl;
- Mittel zur Einstellung einer Stromführungsgrösse;
- Mittel zur Einstellung einer Frequenzänderungsrate;
- Mittel zur Konstanthaltung der Frequenz des Ständer¬ stroms oder zu deren Aenderung mit der Frequenz- änderungsrate in Abhängigkeit von einem entεprechen- den Signal für die Freigabe der Aenderung; - Mittel zur Messung eines Effektivwerts des Sfeänder- εtromε ;
- Mittel zum Vergleich des Effektivwerts des Ständer¬ stromε mit der Stromführungsgrösse und zur Abgabe eines entsprechenden Vergleichssignals; und
- Mittel zur Erzeugung des Freigabesignals in Abhängig¬ keit von den Vergleichssignalen.
14. Motorensystem als Mittel zur Ausführung des Verfahr- ens nach Anspruch 11, umfassend mehrere Dreiphasen- bzw. Vierphaεen-Aεynchronmotoren, die ein gleicheε maximaleε Drehmonent aufweisen, während sie voneinander verschie¬ dene Betriebsspannung/Betriebsfrequenz-Kennwerte aufweiε- en, von denen jedes eines der Glieder einer mit 73 bzw. 72 als Quotient gebildeten geometrischen Folge ist, so dass die Motoren dieses Motorensystems mit dem Quotienten 73 als Bildungsgesetz aufeinander abgestimmt sind.
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