DE68922761T2

DE68922761T2 - Induktionsmotorregelung.

Info

Publication number: DE68922761T2
Application number: DE68922761T
Authority: DE
Inventors: Tadayoshi Mukai; Akira Yoshino
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2009-02-24
Also published as: EP0330477B1; US5010287A; EP0330477A2; EP0330477A3; DE68922761D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Induktionsmotor-Regelungssystem, und spezieller betrifft sie ein verbessertes Regelungssystem zum Regeln eines Induktionsmotors mit variabler Drehzahl auf Grundlage eines konstanten Werts Spannung/Frequenz.

STAND DER TECHNIK

Es ist bekannt, daß zu Regelungssystemen für einen Induktionsmotor mit variabler Drehzahl im Stand der Technik Vektorregelung, Schlupffrequenzregelung und Regelung auf einen konstanten Wert Spannung/Frequenz gehören. Diese Regelungssysteme verwenden einen Wechselrichter, der dem Induktionsmotor eine Wechselspannung variabler Frequenz zuführt, jedoch unterscheiden sie sich in der Art der Steuerung des Wechselrichters. Regelung auf einen konstanten Wert Spannung/Frequenz ist so konzipiert, daß der Motorfluß dadurch konstant gehalten wird, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters in Beziehung zur Frequenz eingestellt wird, um den Motor wirkungsvoll zu betreiben, und daher wurde sie in großem Umfang unter anderen Regelungssystemen für allgemeine Anwendungszwecke aus dem Grund verwendet, daß sie keinen zusätzlichen Tachogenerator erfordert, wie es bei der Schlupffrequenzregelung wesentlich ist, und daß sie keine komplizierten Vorgänge erfordert, wie sie der Vektorregelung eigen sind.
Jedoch leidet die Regelungstechnik auf einen konstanten Wert Spannung/Frequenz aufgrund eines deutlichen Abfalls des Statorwiderstands, d. h. einer Verringerung des Motorflusses unter einem deutlichen Drehmomentabfall. D. h., daß es bei Regelung auf einen konstanten Wert Spannung/Frequenz praktisch unmöglich ist, das Drehmoment im Bereich niedriger Frequenz einzustellen und damit eine Last zu handhaben, die ein großes Startdrehmoment erfordert. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, schlug der Stand der Technik ein Prinzip des Kompensierens des Abfalls des Statorwiderstands vor, um eine konstante induzierte Luftspaltspannung pro Frequenz statt einer konstanten Wechselrichterausgangsspannung pro Frequenz im Niederfrequenzbereich zu erhalten. Dieses Prinzip verwendet eine vorgegebene Beziehung Spannung/Frequenz oder eine Kurve Spannung/Frequenz (V/F), die so ausgebildet ist, daß sie den deutlichen Abfall des Statorwiderstands bei niedriger Frequenz kompensiert. Eine derartige V/F-Kurve ist an ein spezielles Lasterfordernis angepaßt und ist für dieses wirkungsvoll, weswegen das Prinzip es weiterhin erfordert, eine Anzahl von V/F-Kurven für verschiedene Leistungs- oder Lasterfordernisse zu verwenden, damit eine geeignete V/F- Kurve abhängig vom Drehmomentmuster oder vom Lasterfordernis ausgewählt werden kann, wie für eine beabsichtigte Betriebsweise vorbekannt. Wie beschrieben, stellt es sich heraus, daß ein derartiges bekanntes Prinzip nur für eine begrenzte Anwendung wirkungsvoll ist, bei der das Drehmomentmuster einer Last bekannt ist, so daß also kein universell wirkendes Motorregelungssystem geschaffen ist. Zusätzlich stellt es sich heraus, daß das vorstehend genannte bekannte Prinzip dahingehend unzweckdienlich ist, daß die Auswahl von V/F- Kurven vom Benutzer erfolgen muß.
Um den vorstehend genannten Mangel zu beseitigen, schlägt die japanische Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 61-81197 eine automatische Auswahl einer V/F-Kurve auf die einem Motor auferlegte Last hin vor. Dieses Patent lehrt es, die Amplitude des Motorstroms bei einem Winkel von 90º zur Wechselrichter-Ausgangsspannung herzuleiten und diese Amplitude des Motorstroms als Hinweis auf die auferlegte Last beim Ansteuern des Wechselrichters zu verwenden. D. h., daß das System den Wert des Motorstroms bei einem speziellen Winkel überwacht, um die momentane Last anzuzeigen, und es eine geeignete V/F-Kurve auswählt, die auf Proportionalregelungsbasis für eine solche Last vorbereitet wurde. Obwohl dieses System eine automatische Auswahl einer V/F-Kurve oder eine Motordrehmomenteinstellung für verschiedene Lasten ermöglicht, benötigt die vorstehend genannte Proportionalregelung eine relativ komplizierte Analogschaltung, die ein Hindernis dagegen ist, die Herstellkosten des Regelungssystems zu verringern. Darüber hinaus zeigt es sich, daß das Regelungssystem bei niedriger Frequenz nicht zuverlässig arbeitet. Die Unzuverlässigkeit rührt davon her, daß der vorstehend genannte Hinweis für die Last dann keine korrekte Last mehr widerspiegelt, wenn der Statorwiderstand erneut so wirkt, daß er die Phasenbeziehung zwischen dem Motorstrom und der Wechselrichter-Ausgangsspannung bei niedriger Frequenz mit ernsthaftem Ausmaß stört. Z. B. wird der Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und der Wechselrichter-Ausgangsspannung ohne Belastung deutlich kleiner als 90º, und zwar aufgrund des bei niedriger Frequenz merklichen Statorwiderstands, während der Phasenwinkel bei hoher Frequenz ungefähr auf etwas weniger als 90º gehalten wird. Eine derartige ernsthafte Änderung des Phasenwinkels bei niedriger Frequenz führt schließlich zu einer Änderung des erfaßten Werts für die Motorregelung und wird daher zu unzuverlässiger oder fehlerhafter Motorregelung. D. h., daß das System selbst ohne Belastung eine deutliche Amplitude des Motorstroms beim Winkel 90º zur Wechselrichter-Ausgangsspannung ermittelt und erkennt, daß ein entsprechender Lastwert wirkt, wodurch der Wechselrichter auf Grundlage dieser falschen Erkennung angesteuert wird, um die Ausgangsspannung beim Versuch, der falschen Belastung zu folgen, zu erhöhen.
Das Ergebnis ist es, daß der Motor überhitzt wird oder mit nicht hinnehmbar hohem Geräuschpegel betrieben wird.
In WO 87/06403 ist ein Induktionsmotor-Regelungssystem mit folgendem offenbart: einem Wechselrichter zum Liefern einer Wechselspannung variabler Frequenz zum Betreiben des Induktionsmotors; einer Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung, die den Wechselrichter so regelt, daß er eine geeignete Spannung und Frequenz mit vorgegebener Beziehung zwischen diesen erzeugt; einer Einrichtung zum Erfassen des Leistungsfaktor-Phasenwinkels zwischen dem Motorstrom vom Wechselrichter und der Wechselrichter-Ausgangsspannung, der den Wert der dem Motor auferlegten Last kennzeichnet; einer Beurteilungseinrichtung zum Erzeugen eines Bezugswinkels, der allgemein mit abnehmender Frequenz im Niederfrequenzbereich abnimmt, und zum Vergleichen des erfaßten Leistungsfaktor-Phasenwinkels mit dem vorgegebenen Bezugswinkel, der ein frequenzabhängiger Winkel ist, der eine Standardbelastung bei einer vorgegebenen Frequenz kennzeichnet.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung beseitigt die vorstehend genannte Schwierigkeit und Unzulänglichkeit und schafft ein verbessertes Regelungssystem für einen lnduktionsmotor mit variabler Drehzahl, und zwar auf Grundlage einer Regelung mit einem konstanten Wert Spannung/Frequenz. Das erfindungsgemäße Motorregelungssystem verwendet einen Wechselrichter, der eine Wechselspannung variabler Frequenz liefert, um den Induktionsmotor zu betreiben, sowie eine Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung, die den Wechselrichter ansteuert, um eine geeignete Spannung und Frequenz mit vorgegebener Beziehung zwischen diesen zu erzeugen. Es ist eine Einrichtung zum Erfassen des Leistungsfaktor-Phasenwinkels zwischen dem Motorstrom und der Wechselrichter-Ausgangsspannung, wie er den Wert einer dem Motor auferlegten Last anzeigt, enthalten. Der erfaßte Leistungsfaktor-Phasenwinkel wird mit einem vorgegebenen Phasenwinkel verglichen, der ein frequenzabhängiger Winkel ist, der eine Standardlast bei vorgegebener Frequenz kennzeichnet, um ein Regelungsausgangssignal zu erzeugen. Auf das Regelungsausgangssignal hin ändert der Spannung/Frequenz-Regelungsabschnitt die Wechselrichter-Ausgangsspannung mittels der vorgegebenen Beziehung zur Frequenz, um den Motorwirkungsgrad zu verbessern. Unter Verwendung des Bezugswinkels (d. h. des Standard-Belastungsniveaus) kann der Belastungsfaktor-Phasenwinkel (d. h. das erkannte Belastungsniveau) durch einfachen Vergleich mit dem Bezugswinkel dahingehend abgeschätzt werden, ob eine Einstellung der Wechselrichterspannung oder des Motordrehmoments für die momentan auferlegte Last erforderlich ist. Dies erübrigt die Verwendung einer komplizierten Analogschaltung, wie sie beim bekannten System vom Proportionalregelungstyp vorliegt, um die Wechselrichter-Ausgangsspannung auf die Last hin einzustellen, und es ist ermöglicht, eine einfache Digitalschaltung zur automatischen Regelung der Wechselrichterspannung oder zur Einstellung des Motordrehmoments zu verwenden, um dadurch die Schaltungsanordnung mit Erfolg zu vereinfachen und demgemäß die Herstellkosten für das automatische Motorregelungssystem zu verringern. Darüber hinaus kann der frequenzabhängige Bezugswinkel gut die deutliche Phasenverschiebung des Motorstroms in bezug auf die Wechselrichter-Ausgangsspannung kompensieren, wie sie sich im Niederfrequenzbereich zeigt, um dadurch durch Vergleich mit dem erkannten Leistungsfaktor-Phasenwinkel einen zutreffenden Hinweis für die auferlegte Last zu erhalten, was selbst im Niederfrequenzbereich folgerichtige Motorregelung ermöglicht und damit eine überhitzung des Motors im Zustand ohne Last vermeidet.
Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein verbessertes Motorregelungssystem zu schaffen, das die Schaltungsanordnung vereinfachen und die Kosten des Motorregelungssystems erniedrigen kann, wobei aber dennoch eine automatische Einstellung der Wechselrichter-Ausgangsspannung oder des Motordrehmoments in korrekter und zuverlässiger Weise auf die Lasterfordernisse hin in einem Regelungsbereich variabler Frequenz für den Induktionsmotor gewährleistet ist.
Um für eine folgerichtige Kompensation hinsichtlich der Phasenverschiebung des Motorstroms bei niedriger Frequenz zu sorgen, ist der Bezugswinkel so festgelegt, daß er sich im Niederfrequenzbereich mit verringernder Frequenz verringert.
Es ist daher eine andere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Motorregelungssystem zu schaffen, das spezifische Eigenschaften eines Induktionsmotors bei niedriger Frequenz berücksichtigt, um dadurch folgerichtige Motorregelung über den variablen Frequenzbereich des Wechselrichters zu gewährleisten.
Im System wird eine Motorstrom-Erfassungseinrichtung verwendet, um Nulldurchgangspunkte des Motorstroms zu erfassen, damit der Leistungsfaktor-Phasenwinkel als Phasenverschiebung des Nulldurchgangspunkts des Motorstroms gegenüber demjenigen der Wechselrichter-Ausgangsspannung bestimmt wird. Die Nulldurchgangspunkte des Motorstroms können unter Verwendung eines Stromtransformators oder einer Halleffektvorrichtung erfaßt werden. Der Stromtransformator ist vorzugsweise von solchem Typ, der im gesamten variablen Frequenzbereich des Wechselrichters gesättigt ist, damit er bei den Nulldurchgangspunkten des Motorstroms markante Signale erzeugt, die leicht verarbeitet werden können, um die Nulldurchgangspunkte des Motorstroms zu erkennen. Daher reicht ein kompakter Stromtransforinator kleiner Belastungsfähigkeit aus, um die Nulldurchgangspunkte des Motorstroms zu erfassen, was zur Verringerung der Größe der Vorrichtung des Regelungssystems beiträgt, was demgemäß eine weitere Aufgabe der Erfindung ist.
Der so erhaltene Leistungsfaktor-Phasenwinkel, der die auferlegte Last anzeigen soll, wird mit dem vorstehend genannten frequenzabhängigen Bezugswinkel verglichen, um ein erstes Regelungsausgangssignal zu erzeugen, wenn der erstgenannte Winkel kleiner als der letztgenannte Winkel ist, und um ein zweites Regelungsausgangssignal zu erzeugen, wenn der erstgenannte Winkel größer als der letztgenannte Winkel ist. Sobald der Spannung/Frequenz(V/F)-Regelungsabschnitt das erste oder zweite Regelungsausgangssignal erhält, arbeitet er so, daß er die Wechselrichter-Ausgangsspannung mittels der vorgegebenen Beziehung zur ausgewählten Frequenz erhöht oder erniedrigt, um dadurch eine automatische Anhebung oder Verringerung des Drehmoments auf das Lasterfordernis hin auszuführen. Zu diesem Zweck ist der Spannung/Frequenz-Regelungsabschnitt so konfiguriert, daß er mehrere Spannung/Frequenz- Beziehungen, d. h. V/F-Kurven, hinsichtlich unterschiedlicher Lasterfordernisse enthält, von denen jede eine Funktionsbeziehung zwischen der Wechselrichter-Ausgangsspannung und der für den Motor zu verwendenden Frequenz repräsentiert. Der Spannung/Frequenz-Regelungsabschnitt wird betrieben, um eine der V/F-Kurven zu spezifizieren, um beim Fehlen des ersten oder zweiten Regelungsausgangssignals die Wechselrichter-Ausgangsspannung zu erzeugen, wie sie durch die spezifizierte V/F-Kurve bestimmt wird. Wenn das erste oder zweite Regelungsausgangssignal ausgegeben wird, reagiert der V/F-Regelungsabschnitt so, daß er aus den mehreren V/F-Kurven geeignete auswählt, die größere oder kleinere Wechselrichter-Ausgangsspannungen aufweisen, als die Kurve, die zum Ausführen der vor stehend genannten Erhöhung oder Verringerung des Drehmoments spezifiziert wurde, während die Frequenz im wesentlichen unverändert gehalten wird.
Gemäß der Erfindung ist ein Induktionsmotor-Regelungssystem mit folgendem geschaffen: einem Wechselrichter zum Liefern einer Wechselspannung variabler Frequenz zum Betreiben des Induktionsmotors; einer Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung, die den Wechselrichter so regelt, daß er eine geeignete Spannung und Frequenz mit vorgegebener Beziehung zwischen diesen erzeugt; einer Einrichtung zum Erfassen des Leistungsfaktor-Phasenwinkels zwischen dem Motorstrom vom Wechselrichter und der Wechselrichter-Ausgangsspnnung, der den Wert der dem Motor auferlegten Last kennzeichnet; einer Beurteilungseinrichtung zum Erzeugen eines Bezugswinkels, der allgemein mit abnehmender Frequenz im Niederfrequenzbereich abnimmt, und zum Vergleichen des erfaßten Leistungsfaktor- Phasenwinkels mit dem vorgegebenen Bezugswinkel, der ein Frequenzabhängiger Winkel ist, der eine Standardbelastung bei einer vorgegebenen Frequenz kennzeichnet; dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung ein Regelungsausgangssignal in Form eines digitalen Signals erzeugt, das anzeigt, ob der erfaßte Leistungsfaktor-Phasenwinkel größer als der vorgegebene Bezugswinkel ist, wobei die Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung auf das Regelungssignal so anspricht, daß sie die Wechselrichter-Ausgangsspannung schrittweise dadurch erhöht oder erniedrigt, daß sich die V/F-Kurve ändert, bis der erfaßte Wert des Leistungsfaktor- Phasenwinkels dem Bezugswinkelwert entspricht, um so den Motorwirkungsgrad zu verbessern.
Wie die Erfindung ausgeführt werden kann, wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Motorregelungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 2 eine graphische Wiedergabe eines Bezugswinkels ist, veranschaulicht für eine allgemein abnehmende Beziehung mit abnehmender Frequenz in einem Niederfrequenzbereich;
Fig. 3 ein etwas detailliertes Blockdiagramm des Motorregelungssystems von Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Signalverlaufsdiagramm ist, das Ausgangsspannungen eines im System von Fig. 3 verwendeten dreiphasigen Sinusgenerators veranschaulicht;
Fig. 5 eine graphische Wiedergabe mehrerer charakteristischer V/F-Kurven ist, die die Beziehung zwischen der Wechselrichter-Ausgangsspannung und der zum Erzielen einer Regelung mit konstantem Wert Spannung/Frequenz verwendeten Frequenz repräsentieren;
Fig. 6, die aus den Fig. 6A bis 6H besteht, ein zeitbezogenes Diagramm ist, das den Betrieb des Motorregelungssystems von Fig. 3 veranschaulicht;
Fig. 7 eine schematische Wiedergabe einer Halleffektvorrichtung ist, die gemäß der Darstellung mit einer Phasenleitung an den Motor angeschlossen ist, um Nulldurchgangspunkte des Motorstroms zu erfassen;
Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Motorregelungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist und
Fig. 9, die aus den Fig. 9A bis 9C besteht, ein zeitbezogenes Diagramm ist, die den Betrieb des Motorregelungssystems von Fig. 1 veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Erstes Ausführungsbeispiel < Fig. 1 bis 6 >

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Induktionsmotor-Regelungssystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, das einen Gleichrichter 1 mit Diodengleichrichterteil 2 enthält, der mit einer dreiphasigen Netz-Wechselspannungsquelle festliegender Frequenz verbunden ist, um einem Wechselrichter 4 über einen Glättungskondensator 3 eine Gleichspannung zuzuführen. Der Wechselrichter 4 weist drei Paare in Reihe geschalteter Transistoren (nur ein Paar ist dargestellt) auf, die so angesteuert werden, daß sie eine Wechselspannung variabler Frequenz liefern, um einen dreiphasigen Induktionsmotor 5 zu betreiben. Ein Spannung/Frequenz-Regelungsabschnitt 10 ist mit dem Wechselrichter 4 verbunden, um diesen auf Grundlage eines konstanten Werts Spannung/Frequenz zu regeln. Mit einer der Ausgangsleitungen des Wechselrichters 4 ist ein Stromtransformator 6 verbunden, der den Ausgangsstrom an den Motor 5 erfaßt. Der so erfaßte Strom oder Motorstrom wird einem Leistungsfaktor-Erfassungsabschnitt 20 zugeführt, der so betrieben wird, daß er einen Leistungsfaktor-Phasenwinkel liefert, der den momentanen Wert der dem Motor 5 auferlegten 25 Last anzeigt. Der Stromtransformator 6 ist von einem Typ, der mit einem hochbelastenden Widerstand verbunden ist und im gesamten Bereich der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 gesättigt ist, um einfach Nulldurchgangspunkte des Motorstroms zu erfassen. Insbesondere wird der Nulldurchgangs-30 punkt mit dem Winkel 0º des Motorstroms dazu verwendet, in einem Beurteilungsabschnitt 4 mit einem Bezugswinkel verglichen zu werden, um zu ermitteln, ob die momentan dem Motor 5 auferlegte Last größer oder kleiner als ein Standardlastniveau ist, das sich mit der Frequenz ändert.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Bezugswinkel ein frequenzabhängiger Winkel, der gegen den Punkt der Wechselrichter-Ausgangsspannung mit dem Winkel 0º um einen Wert versetzt ist, der sich mit der Wechselrichterfrequenz ändert, um das vorstehend genannte Standardlastniveau über den variablen Frequenzbereich des Wechselrichters 4 anzuzeigen. Hier sei darauf hingewiesen, daß, wie aus Fig. 2 erkennbar, die Charakteristikkurve für den Bezugswinkel so konzipiert ist, daß sie im Frequenzbereich unter 20 Hz einen größeren Gradienten aufweist als im darüberliegenden Frequenzbereich, um die deutliche Phasenänderung des Motorstroms in bezug auf die Wechselrichter-Ausgangsspannung zu kompensieren, wie sie sich typischerweise im Niederfrequenzbereich zeigt. Ein Bezugsimpuls 30 zum Erzeugen eines Signals,das für einen solchen Bezugswinkel repräsentativ ist, wirdan den Beurteilungsabschnitt 40 geliefert, dessenAusgang mit dem Spannung/Frequenz(V/F)-Abschnitt 10 verbundenist, um die Wechselrichter-Ausgangsspannung abhängig vomvergleichsergebnis im Beurteilungsabschnitt 40 einzustellen.
Der Leistungsfaktor-Phasenwinkel-Erfassungsabschnitt 20 beinhaltet ein Tiefpaßfilter 21, über das nur die Grundwelle- Komponente des Motorstroms, wie vom Stromtransformator 6 erfaßt, zu einem Verstärker 22 laufen kann. D. h., daß der Motorstrom, wie er als typisch in Fig. 6D dargestellt ist, mittels des Tiefpaßfilters 21 und des Verstärkers 22 verarbeitet wird, um ein Signal gemäß Fig. 6E zu erzeugen. Das Ausgangssignal (Fig. 6E) des Verstärkers 22 wird dann einem Komparator 23 zugeführt, wo es mit einem positiven Bezugspegel X verglichen wird, um ein Rechtecksignal zu erzeugen, wie in Fig. 6F dargestellt. Ebenfalls im Abschnitt 20 ist ein Synchronisierimpuls-Generator 24 enthalten, der einen Zug phasenrichtiger Impulse erzeugt, die zusammenfallend mit dem Punkt des Winkels 0% der Wechselrichter-Ausgangsspannung auftreten, wie in Fig. 68 dargestellt. Diese Signale der Fig. 6F und 68, wie sie vom Komparator 23 bzw. vom Synchronisierimpuls-Generator 24 ausgegeben werden, werden einem Latch 25 zugeführt, das auf den Impuls (Fig. 6F) vom Komparator 23 hin gesetzt wird, um ein Ausgangssignal hohen Pegels zu erzeugen, und das auf den Synchronisierimpuls (Fig. 68) vom Impulsgenerator 24 hin rückgesetzt wird, um ein Ausgangssignal niedrigen Pegels zu liefern, wie in Fig. 6G dargestellt. Demgemäß wird die Dauer des Ausgangssignals niedrigen Pegels im Abschnitt 20 dahingehend erfaßt, daß sie dem Leistungsfaktor-Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und der Wechselrichter-Ausgangsspannung entspricht. Hier sei darauf hingewiesen, daß der Synchronisierimpuls oder der Rücksetzimpuls aus dem Grund in Übereinstimmung mit dem Punkt des Winkels 0% der Wechselrichter-Ausgangsspannung erzeugt wird, daß die Nulldurchgangspunkte des Motorstroms nie gegenüber diesem Punkt nacheilen und demgemäß der Rücksetzimpuls nie mit dem vom Motorstrom herrührenden Setzimpuls (Fig. 6G) wechselwirkt.
Im Beurteilungsabschnitt 40 wird das Ausgangssignal des Latchs 25 mit dem Bezugsimpuls verglichen, um an den V/F- Regelungsabschnitt ein Erhöhungs- oder Erniedrigungssignal zu liefern, um die Wechselrichter-Ausgangsspannung auf programmierte Weise, wie dies nachfolgend beschrieben wird, zu erhöhen oder zu erniedrigen. D. h., daß dann, wenn die ansteigende Flanke des Latchausgangssignals hohen Pegel (Fig. 6G) vor der des Bezugsimpulses auftritt, der Beurteilungsabschnitt 40 erkennt, daß der erfaßte Leistungsfaktorwinkel kleiner als der Bezugswinkel bei einer vorgegebenen Frequenz ist, um dadurch das Erhöhungssignal auszugeben. Wenn andererseits die ansteigende Flanke des Latchausgangssignals hohen Pegels nach derjenigen des Bezugsimpulses auftritt, erkennt der Beurteilungsabschnitt 40, daß der erfaßte Leistungsfaktorwinkel größer als der Bezugswinkel ist, um das Erniedrigungssignal auszugeben. Wenn z. B. der Motorstrom, wie durch durchgezogene Linien in Fig. 6D gekennzeichnet, mit demselben Ausmaß wie der Bezugswinkel nacheilt, stimmt die ansteigende Flanke des Latchausgangssignals hohen Pegels mit derjenigen des Bezugsimpulses überein, wodurch kein Signal an den V/F-Regelungsabschnitt 10 ausgegeben wird, und daher angezeigt wird, daß der Motor mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, wobei Abstimmung mit einem Standardlastniveau bei der ausgewählten Frequenz besteht. Wenn die Last über das durch den Bezugswinkel definierte Standardlastniveau ansteigt, eilt der Motorstrom stärker nach, wie durch gestrichelte Linien in Fig. 6D dargestellt, so daß die ansteigende Flanke des Latchausgangssignals hohen Pegels vor derjenigen des Bezugsimpulses auftritt, was bewirkt, daß der Beurteilungsabschnitt 40 das Erhöhungssignal, wie durch gestrichelte Linien in Fig. 6H dargestellt, an den V/F-Regelungsabschnitt 40 ausgibt, um das Motordrehmoment zu erhöhen, um mit der auferlegten Last fertigzuwerden. Andererseits eilt, wenn die Last unter das Standardniveau fällt, der Motorstrom vor, so daß der Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und der Wechselrichter-Ausgangsspannung größerals der Bezugswinkel wird, wodurch die ansteigende Flankedes Latchausgangssignals hohen Pegels nach der des Bezugsimpulses auftritt, was bewirkt, daß der Beurteilungsabschnitt 40 das Erniedrigungssignal (das jedoch nicht dargestelltist) an den V/F-Regelungsabschnitt 10 ausgibt, um das Motordrehmoment zurEnergieeinsparung zu verringern. Für stabile Motorregelungund zum Verhindern eines Überansprechens kann eine gewissetotzone um die zeitliche Lage des Bezugsimpulses herum imVergleich mit der ansteigenden Flanke deslatchausgangssignals hohen Pegels vorhanden sein.
Wie in Fig. 3 dargestellt, beinhaltet der V/F-Regelungsabschnitt 10 eine Drehzahl-Einstelleinrichtung 11, die auf eine vom Benutzer ausgewählte Eingangsfrequenz F' anspricht, um ein Frequenzregelungssignal F" zu erzeugen, das die Beschleunigungs- oder Verzögerungszeit, die der Wechselrichter zum Erreichen der Eingangsfrequenz F' benötigt, gemäß einein vorgegebenen Programm einstellt. Auf das Frequenzregelungssignal F" hin wählt eine V/F-Kurve-Auswahlschaltung 12 eine geeignete Kurve für die Spannung-Frequenz-Beziehung aus, wie durch eine Funktion V = f(F) repräsentiert, wobei F die Wechselrichterfrequenz ist und V die Wechselrichter-Ausgangsspannung ist, wobei die Auswahl aus einem Satz mehrerer solcher V/F-Kurven oder Funktionen erfolgt, wie schematisch in Fig. 5 veranschaulicht, die abhängig von verschiedenen Lasterfordernissen vorbestimmt sind und in einem Speicher abgespeichert sind. Die V/F-Kurve-Auswahlschaltung 12 erzeugt abhängig von der ausgewählten V/F-Kurve oder -Funktion ein Spannungsregelungssignal. Das Spannungsregelungssignal wird zusammen mit dem Frequenzregelungssignal F" der Drehzahl-Einstelleinrichtung 11 an einen dreiphasigen Sinusgenerator 13 geliefert, der so reagiert, daß er ein Tripel sinusförmiger Signale erzeugt, wie in Fig. 4 dargestellt, von denen jedes die Amplitude V und eine Zykluszeit T = 1/F aufweist. Der Generator 13 ist mit einem Impulsbreitemodulator [PWM] von herkömmlichem Aufbau verbunden, in dem die Wellensignale Vu, Vv und Vw vom Generator 13 mit einem Bezugsdreiecksimpuls verglichen werden, um ein impulsbreitemoduliertes Signal zu erzeugen, das über einen Treiber 15 geliefert wird, um den Transistor des Wechselrichters 4 zu schalten, damit der Wechselrichter 4 die Spannung und Frequenz liefert, wie sie vom V/F-Regelungsabschnitt 10 bestimmt werden. Diese V/F-Kurve-Auswahlschaltung 12 empfängt das Erhöhungsoder Erniedrigungssignal vom Beurteilungsabschnitt 40, um die Wechselrichter-Ausgangsspannung stufenweise dadurch zu erhöhen oder zu erniedrigen, daß die V/F-Kurve verändert wird, bis der erfaßte Lastwert dem Standardlastniveau entspricht.
Im Betrieb verwendet der V/F-Regelungsabschnitt 10 eine Vorgabe-V/F-Kurve, wenn nicht der Benutzer eine spezielle V/F- Kurve für einen bekannten Lastzustand auswählt. Eine derartige Auswahl einer V/F-Kurve von Hand erfolgt an einer (nicht dargestellten) Bedienkonsole, an der die Auswahl der Betriebsfrequenz des Wechselrichters erfolgt. Auf die ausgewählte Frequenz hin stellt der V/F-Regelungsabschnitt 10 den Wechselrichter 4 so ein, daß er eine geeignete Spannung erzeugt, die bei der vorgegebenen Frequenz durch die Vorgabeoder spezifizierte V/F-Kurve festgelegt ist. Wenn der Beurteilungsabschnitt 40 das Erhöhungssignal ausgibt und im Ergebnis ein Überlastungszustand erkannt wird, reagiert der V/F-Regelungsabschnitt 10 so, daß er eine andere V/F-Kurve auswählt, die einen größeren Spannungspegel als die spezifizierte V/F-Kurve bei der vorgegebenen Frequenz aufweist, um die Wechselrichter-Ausgangsspannung um eine Stufe zu erhöhen. Diese Erhöhung um eine Stufe dauert so lange an, wie das Erhöhungssignal vom Beurteilungsabschnitt 40 ausgegeben wird. Auf ähnliche Weise wird eine schrittweise Erniedrigung der Wechselrichterspannung herbeigeführt, wenn der V/F-Regelungsabschnitt 10 vom Beurteilungsabschnitt 40 ein Erniedrigungssignal empfängt, das einen Zustand mit zuviel Leistung anzeigt. Auf diese Weise wird der Wechselrichter 4 automatisch so eingestellt, daß er seine Ausgangsspannung unter Bezugnahme auf das Standardlastniveau, das sich mit der Wechselrichterfrequenz ändert, erhöht oder erniedrigt, wodurch der Motor im variablen Frequenzbereich des Wechselrichters mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird. Es sei hier darauf hingewiesen, daß der frequenzabhängige Bezugswinkel so beschaffen ist, daß er eine deutliche Phasenverschiebung des Motorstroms aufgrund des erhöhten Abfalls des Statorwiderstands, wie er sich im Niederfrequenzbereich, d. h. unter 20 Hz, zeigt, kompensiert. Daher kann der Motor selbst bei derart niedriger Frequenz wirkungsvoll betrieben werden, ohne daß irreführende Einflüsse bestehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Stromtransformator 6, der die Nulldurchgangspunkte von 0º des Motorstroms erfaßt, von einem Typ, der im gesamten variablen Frequenzbereich des Wechselrichters gesättigt sein kann, so daß der Leistungsfaktor-Phasenwinkel des Motorstroms leicht in Beziehung zum zugehörigen Nul ldurchgangspunkt der Wechselrichter-Ausgangsspannung zuverlässig im Frequenzbereich des Wechselrichters erkannt werden kann. Jedoch ist die Erfindung nicht auf einen solchen Stromtransformator beschränkt, sondern es kann ein Stromtransformator von allgemeinem Typ verwendet werden, der ein dem Motorstrom analoges Signal erzeugt. In diesem Fall kann das erfaßte Signal geeignet verarbeitet werden, z. B. durch Pegelerkennung, um die Nulldurchgangspunkte des Motorstroms zu repräsentieren. Darüber hinaus kann ein anderer Stromsensor wie ein solcher, der eine Halleffektvorrichtung 7 verwendet, wie in Fig. 7 dargestellt, oder ein Nebenschlußwiderstand verwendet werden.

Zweites Ausführungsbeispiel < Fig. 8>

Fig. 8 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Motorregelungssystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine ähnliche Konfiguration wie das erste Ausführungsbeispiel aufweist, mit der Ausnahme, daß ein Zähler 50 verwendet wird, um den Leistungsfaktor-Phasenwinkel des Motorstroms herzuleiten. Gleiche Teile sind durch gleiche Zahlen mit dem Zusatzbuchstaben "A" gekennzeichnet. Der Zähler 50 empfängt von einem (nicht dargestellten) Taktgenerator Taktsignale, und seine Eingänge sind mit einer Zählfreigabeschaltung 51 und einer Zählsperrschaltung 52 verbunden. Die Zählfreigabeschaltung 51 wird synchron mit einem der Ausgangssignale, hier dem Ausgangssignal Vu, des dreiphasigen Sinusgenerators 13a betrieben, so daß sie den Zähler 50 jedesmal dann zum Zählen der Taktsignale freigibt, wenn das Ausgangssignal Vu den Nulldurchgangspunkt von 0º erreicht, wie in Fig. 9A dargestellt. Die Zählsperrschaltung 52 spricht auf jedes Auftreten von Nulldurchgangspunkten von 0º des Motorstroms an, wie in Fig. 98 dargestellt, um den Zähler 50 zu sperren. Demgemäß zeigen die Summenzählwerte der Taktsignale in jedem Zyklus des Motorstroms die Phasendifferenzzeit tp zwischen dem Motorstrom und der Wechselrichter- Ausgangsspannung zutreffend an. Aus der Phasendifferenzzeit tp wird der Leistungsfaktor-Phasenwinkel Φ mittels der Gleichung Φ&sub1; = 2π tp F erhalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel 10 ermittelt der Beurteilungsabschnitt 40A auf Grundlage des Frequenzregelungssignals von einer Drehzahl-Einstelleinrichtung 11a einen Bezugsleistungsfaktorwinkel Φref als Funktion der Wechselrichterfrequenz. Der erfaßte Leistungsfaktor- Phasenwinkel Φ&sub1; wird im Beurteilungsabschnitt 40A mit dem Bezugswinkel Φref verglichen, um zu ermitteln, ob die erfaßte Last größer oder kleiner als die durch den Bezugswinkel Φref definierte Standardlast ist. Das Vergleichsergebnis des Beurteilungsabschnitts 40A wird an eine V/F-Kurve-Auswahlschaltung 12a gegeben, um eine entsprechende schrittweise Regelung zum Erhöhen oder Verringern des Motordrehmoments zu bewirken, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Claims

1. Induktionsmotor-Regelungssystem mit:

- einem Wechselrichter (4) zum Liefern einer Wechselspannung variabler Frequenz zum Betreiben des Induktionsmotors (5);

- einer Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung (10), die den Wechselrichter (4) so regelt, daß er eine geeignete Spannung und Frequenz mit vorgegebener Beziehung zwischen diesen erzeugt;

- einer Einrichtung (20) zum Erfassen des Leistungsfaktor- Phasenwinkels zwischen dem Motorstrom (6) vom Wechselrichter (4) und der Wechselrichter-Ausgangsspannung, der den Wert der dem Motor auferlegten Last kennzeichnet;

- einer Beurteilungseinrichtung (40) zum Erzeugen eines Bezugswinkels, der allgemein mit abnehmender Frequenz im Niederfrequenzbereich abnimmt, und zum Vergleichen des erfaßten Leistungsfaktor-Phasenwinkels mit dem vorgegebenen Bezugswinkel, der ein frequenzabhängiger Winkel ist, der eine Standardbelastung bei einer vorgegebenen. Frequenz kennzeichnet; dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung (40) ein Regelungsausgangssignal in Form eines digitalen Signals erzeugt, das anzeigt, ob der erfaßte Leistungsfaktor-Phasenwinkel größer als der vorgegebene Bezugswinkel ist, wobei die Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung auf das Regelungssignal so anspricht, daß sie die Wechselrichter-Ausgangsspannung schrittweise dadurch erhöht oder erniedrigt, daß sich die V/F-Kurve ändert, bis der erfaßte Wert des Leistungsfaktor-Phasenwinkels dem Bezugswinkelwert entspricht, um so den Motorwirkungsgrad zu verbessern.

2. Induktionsmotor-Regelungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung (10) so arbeitet, daß sie mehrere V/F-Kurven (12) für verschiedene Lasterfordernisse speichert, wobei jede eine Funktionsbeziehung zwischen der Wechselrichter-Ausgangsspannung undder Wechselrichterfrequenz repräsentiert;

- wobei die Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung (10) so arbeitet, daß sie eine der V/F-Kurven (12) spezifiziert,um die genannte Wechselrichter-Ausgangsspannung zuerzeugen, die durch die spezifizierte V/F-Kurve für einevorgegebene Frequenz bestimmt wird; und

- wobei die Spannung/Frequenz-Regelungseinrichtung (10) dann, wenn erkannt wird, daß der erfaßte Leistungsfaktor- Phasenwinkel kleiner oder größer alsder Bezugswinkel (30) ist, aus den V/F-Kurven (12) zumindesteine auswählt, die eine größere bzw. kleinere Wechselrichter-Ausgangsspannung aufweist als die spezifizierte Kurvefür die vorgegebene Frequenz, um den Wechselrichter (4) sozu regeln, daß er die größere bzw. kleinere Wechselrichter-Ausgangsspannungliefert, während die ausgewählte Frequenz im wesentlichenunverändert bleibt.

3. Induktionsmotor-Regelungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Leistungsfaktor-Phasenwinkel-Erfassungseinrichtung (20) ein Latch (25) beinhaltet, das ein Ausgangssignal ersten Pegels und ein Ausgangssignal zweiten Pegels an die Beurteilungseinrichtung (40) liefert;

- wobei das Latch (25) so ausgebildet ist, daß es zum Erzeugen des Ausgangssignals ersten Pegels immer dann gesetzt wird, wenn der Motorstrom einen Winkel von 0º hat und es jedesmal dann rückgesetzt wird, wenn die Wechselrichter- Ausgangsspannung einen Winkel von 0º hat, so daß die Leistungsfaktor-Phasenwinkel-Erfassungseinrichtung (20) den Leistungsfaktor-Phasenwinkel als Dauer des Ausgangssignal zweiten Pegels erfaßt;

- wobei die Beurteilungseinrichtung (40) einen Bezugsimpulsgenerator (30) beinhaltet, der einen Bezugsimpuls erzeugt, der mit einem Zeitversatz ausgehend vom Winkel 0º der Wechselrichter-Ausgangsspannung auftritt, der durch die vorgegebene Frequenz bestimmt wird, um den Bezugswinkel anzuzeigen;

und

- wobei die Beurteilungseinrichtung (40) auf das Ausgangssignal des Latchs (25) und den Bezugsimpuls (30) anspricht, um das erste Regelungssignal auszugeben, wenn das Latchausgangssignal mit dem ersten Pegel vor dem Bezugsimpuls auftritt, und um das zweite Regelungsausgangssignal zu erzeugen, wenn das Latchausgangssignal mit dem ersten pegel nach dem Bezugsimpuls auftritt.

4. Induktionsmotor-Regelungssystem nach einemder Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Leistungsfaktor-Phasenwinkel- Erfassungseinrichtung (20A) eine Quelle fürtaktsignale sowie einen diese Taktsignale zählenden Zähler (50)beinhaltet;

- wobei der Zähler (50) zum Zählen der Taktsignalejedesmal dann freigegeben wird, wenn die Wechselrichter-Ausgangsspannung den Winkel 0º hat, und er jedesmal dann gesperrt wird, wenn der Motorstrom den Winkel 0º hat, um den Leistungsfaktor-Phasenwinkel als Funktion der dazwischen gezählten Takt signale zu gewinnen;

- wobei der Zähler (50) sein den Leistungsfaktor-Phasenwinkel anzeigendes Ausgangssignal an die Beurteilungseinrichtung (40) zum Vergleich mit einem Bezugsparameterin der Beurteilungseinrichtung (40) liefert, der dem Bezugswinkel entspricht.

5. Induktionsmotor-Regelungssystem nach einemder Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einer Motorstrom-Erfassungseinrichtung (6) zum Erfassen der Nulldurchgangspunkte des vom Wechselrichter (4) gelieferten Motorstroms, wobei die erfaßten Nulldurchgangspunkte verarbeitet werden, um die Phasenverschiebung zwischen dem Nulldurchgangspunkt und demjenigen der Wechselrichter-Ausgangsspannung zu erfassen, um den Leistungsfaktor-Phasenwinkel zu bestimmen.

6. Induktionsmotor-Regelungssystem nach Anspruch 5, bei dem die Motorstrom-Erfassungseinrichtung (6) ein Stromtransformator ist, der im gesamten variablen Frequenzbereich des Wechselrichters gesättigt ist.

7. Induktionsmotor-Regelungssystem nach Anspruch 5, bei dem die Motorstrom-Erfassungseinrichtung (6) eine Halleffektvorrichtung ist.