DE1125048B

DE1125048B - Device for controlling the direction of rotation and speed of a three-phase induction motor

Info

Publication number: DE1125048B
Application number: DES50922A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Werner Doell; Dipl-Ing Ekkehard Friebe; Dipl-Ing Dr-Ing Georg Sichling
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-10-19
Filing date: 1956-10-19
Publication date: 1962-03-08

Description

Einrichtung zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl eines Drehstrominduktionsmotors Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl eines Drehstrominduktionsmotors in Abhängigkeit von einer Steuer- oder Regelgröße durch Umschaltung bzw. periodische Ein- und Ausschaltung seiner Netzzuleitungen, unter Anwendung von in den Netzzuleitungen angeordneten Schalttransistoren.Device for controlling the direction of rotation and speed of a three-phase induction motor The invention relates to a device for controlling the direction of rotation and Speed of a three-phase induction motor depending on a control or Controlled variable by switching or periodically switching its mains supply lines on and off, using switching transistors arranged in the power supply lines.

Es sind Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen ausschließlich mechanische Mittel zur Umsteuerung der Drehrichtung eines Motors verwendet sind, wobei aber die dem Motor zugeführte Spannung nicht verändert wird. Dies durch periodisches Ein- und Ausschalten zu erreichen, wäre bei solchen mechanischen Schaltmitteln auch gar nicht durchführbar, da derartige Schaltmittel einer solchen Beanspruchung nicht gewachsen wären. Ferner ist es bekanntgeworden, mit Hilfe von Schalttransistoren eine im Hauptstromkreis kontaktlose Einschaltung eines Drehstrommotors vorzunehmen, ohne daß Drehzahl und Drehrichtung gesteuert werden. Zur Einstellung einer bestimmten Schleichdrehzahl bei Drehstrommotoren sind mit mechanischen Kontakten arbeitende Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen je nach der gewünschten Drehrichtung die Netzzuleitung jeweils bei Erreichen der Schleichdrehzahl unterbrochen und bei Unterschreiten der Schleichdrehzahl wieder eingeschaltet wird. Demnach wird der Motor periodisch beschleunigt und verzögert, so daß seine Drehzahl um den gewünschten Wert der Schleichgeschwindigkeit pendelt. Eine solche Anordnung ist aber für den Dauerbetrieb bei den dort gewünschten Betriebsdrehzahlen wegen der Überbeanspruchung der mechanischen Kontakte und wegen des Pendelns der Drehzahl nicht geeignet.Facilities have become known in which exclusively mechanical Means for reversing the direction of rotation of a motor are used, but the voltage supplied to the motor is not changed. This through periodic Achieving switching on and off would also be possible with such mechanical switching means not feasible at all, since such switching means are not subject to such stress would have grown. It has also become known with the help of switching transistors make contactless activation of a three-phase motor in the main circuit, without speed and direction of rotation being controlled. To set a specific Creep speeds in three-phase motors are working with mechanical contacts Facilities become known in which, depending on the desired direction of rotation Mains supply interrupted when the creep speed is reached and when it is undershot the slow speed is switched on again. Accordingly, the engine becomes periodic accelerates and decelerates so that its speed by the desired value of the creep speed commutes. Such an arrangement is, however, required for continuous operation with those there Operating speeds because of the overstressing of the mechanical contacts and because of speed oscillation is not suitable.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs erwähnten Einrichtung die genannten Nachteile zu vermeiden. Dies gelingt nach der Erfindung auf einfache Weise dadurch, daß mindestens zwei Wicklungsstränge des Motors über je zwei Schalttransistoranordnungen jeweils mit mindestens zwei Netzleitern in Verbindung stehen, und daß die bei der jeweils gewünschten Drehrichtung in Betrieb befindlichen Schalttransistoranordnungen durch mindestens eine periodische Umsteuerung in jeder Netzspannungshalbwelle vom geöffneten in den gesperrten Zustand und umgekehrt den Effektivwert der Phasenspannungen im Sinne einer Drehzahlsteuerung beeinflussen.The invention is now based on the object mentioned in the introduction Establishment to avoid the disadvantages mentioned. This is achieved according to the invention in a simple manner in that at least two winding phases of the motor over two switching transistor arrangements each with at least two mains conductors in connection stand, and that those located in the desired direction of rotation in operation Switching transistor arrangements by at least one periodic reversal in each Mains voltage half-wave from the open to the locked state and vice versa Influence the effective value of the phase voltages in terms of speed control.

Dabei wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, daß Transistoren als elektrische Schalter geeignet sind. Durch die Verwendung von Transistoren wird ein praktisch verzögerungsfreies Steuern bzw. Regeln ermöglicht. Besonders bei der Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren in Abhängigkeit von einer Regelgröße wirkt sich dieser Umstand günstig auf die Regeldynamik aus. Ferner ermöglicht die Verwendung von Transistoren einen hohen Wirkungsgrad der Einrichtung nach der Erfindung, da bekanntlich Transistoren nur einen vernachlässigbar kleinen Spannungsabfall aufweisen, dessen ohmscher Charakter eine Verzerrung des Spannungsdreiecks bei dreiphasigen Systemen und somit auch eine Verringerung des Drehmomentes ausschließen. Durch gleichlange Öffnungs- und Schließzeiten der Transistoren ist ferner eine sehr genaue und sichere Steuerung bzw. Regelung möglich, weil in diesem Fall Ausgleichsströme nicht fließen können.It is made use of the well-known fact that transistors are suitable as electrical switches. Through the use of transistors becomes enables practically instantaneous control and regulation. Especially with the Speed control of asynchronous motors works as a function of a controlled variable this fact has a positive effect on the control dynamics. It also enables the use of transistors a high efficiency of the device according to the invention, since as is known, transistors only have a negligibly small voltage drop, whose ohmic character is a distortion of the voltage triangle in three-phase Systems and thus also a reduction in torque. By the same length Opening and closing times of the transistors is also very accurate and safe Open-loop or closed-loop control possible because in this case equalizing currents do not flow can.

Die Erfindung sei an Hand eines in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles für eine Elektrodenverstellvorrichtung in Lichtbogenöfen näher erläutert.The invention is shown schematically on the basis of one in FIG Embodiment for an electrode adjustment device in arc furnaces in more detail explained.

Zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl eines Asynchronmotors 9 für die Verstellung der Elektroden in Lichtbogenöfen sind seine Wicklungsstränge 6, 7 über Schalttransistoranordnungen 2, 3, 4 und 5 mit den Leitern R und S eines Drehstromnetzes 1 verbunden, während der Wicklungsstrang 8 unmittelbar an den Netzleiter T angeschlossen ist. Die Schalttransistoranordnungen 2 und 5 sind in Steuerabhängigkeit von Einrichtungen 13 und 14 gebracht, die ihrerseits durch das die Regelabweichung erfassende Schaltelement 11 beeinflußbar sind. Auf das Schaltelement 11 wirkt, wie bei 12 angedeutet, der Lichtbogenstrom und die am Lichtbogen auftretende Spannung sowie eine von einem mit dem Läufer des Motors 9 gekuppelten drehzahlabhängigen Meßglied 10 herrührende Rückführung. Je nachdem, ob der Elektrodenabstand vergrößert oder verkleinert werden soll, muß der Anlauf des Motors in der einen oder anderen Drehrichtung erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, daß z. B. bei Rechtsanlauf des Motors die Schalttransistoranordnungen 2 und 3 geöffnet werden, dagegen bei Linkslauf die Schalttransistoranordnungen 4 und 5. Das andere Schalttransistorpaar ist jeweils gesperrt.To control the direction of rotation and speed of an asynchronous motor 9 for adjusting the electrodes in arc furnaces, its winding phases 6, 7 are connected to the conductors R and S of a three-phase network 1 via switching transistor arrangements 2, 3, 4 and 5, while winding phase 8 is directly connected to the power line T is connected. The switching transistor arrangements 2 and 5 are controlled by devices 13 and 14, which in turn can be influenced by the switching element 11 which detects the control deviation. As indicated at 12, the switching element 11 is acted on by the arc current and the voltage occurring at the arc, as well as a feedback resulting from a speed-dependent measuring element 10 coupled to the rotor of the motor 9. Depending on whether the electrode spacing is to be increased or decreased, the motor must start in one or the other direction of rotation. This is achieved in that, for. B. when the motor starts to the right, the switching transistor arrangements 2 and 3 are opened, while the switching transistor arrangements 4 and 5 are opened when the motor is running counterclockwise. The other pair of switching transistors is blocked.

Der einfachste Fall der Steuerung besteht darin, die jeweils in Frage kommenden Schalttransistoränordnungen während der Dauer der Verstellbewegung geöffnet zu halten, was einem Betrieb des Motors mit voller Leistung entspricht. Hierzu wird die Differenz zwischen Soll- und Istwert, d. h. die Regelabweichung des Weges, als Steuergröße nach Verstärkung auf die Basen der zusammengehörigen Schalttransistoranordnungen gegeben. Um ein Aussteuern der Schalttransistoren in den für sie schädlichen Zwischenlagen zu vermeiden, kann vorteilhaft eine Zweipunktsteuerung mit Hilfe von Zweipunktsteuergliedern ohne Mittellage angewandt werden.The simplest case of control is that of each one in question upcoming switching transistor arrangements open during the duration of the adjustment movement to hold, which corresponds to operating the engine at full power. This is done the difference between setpoint and actual value, d. H. the deviation of the path, as Control variable after amplification on the bases of the associated switching transistor arrangements given. About a modulation of the switching transistors in the intermediate layers that are harmful to them to avoid, a two-point control with the aid of two-point control elements can be advantageous can be used without a central position.

Im besonderen kann mit Vorteil auch eine stetige Veränderung der Spannung am Motor bzw. eine stetige Veränderung des Motormomentes durch Tasten der Spannungshalbwellen in Impulslängen gemäß Fig. 5 a und 5 b vorgesehen werden, wie sie bereits an anderer Stelle beschrieben ist. Sie kann des weiteren auch durch Ausschneiden von Segmenten aus den Halbwellen nach den Fig. 6 a bis 6 c erfolgen, wie dies ebenfalls bereits an anderer Stelle angegeben wurde. Beispielsweise bei der Steuerung nach Fig. 5a und 5b werden die betreffenden Schalttransistoranordnungen 2 und 3 oder 4 und 5 abwechselnd geöffnet (schraffiert dargestellt) und gesperrt, wobei das jeweilige zeitliche Verhältnis zwischen Offensein und Gesperrtsein, d. h. die Größe des Tastverhältnisses, den Mittelwert der Motorleistung bestimmt. Die Steuerimpulse zum Tasten der Netzspannungshalbwellen gelangen von den Einrichtungen 13 und 14 in Abhängigkeit von der Regelabweichung auf die genannten Schalttransistoranordnungen.In particular, a constant change in voltage can also be advantageous on the motor or a constant change in the motor torque by touching the voltage half-waves are provided in pulse lengths according to Fig. 5 a and 5 b, as they are already used in others Position is described. It can also be done by cutting out segments from the half waves according to FIGS. 6 a to 6 c, as has already been done has been specified elsewhere. For example, in the control according to FIG. 5a and 5b become the respective switching transistor arrangements 2 and 3 or 4 and 5 alternately open (shown hatched) and locked, with the respective temporal relationship between being open and being closed, d. H. the size of the duty cycle, determines the mean value of the engine power. The control pulses for touching the mains voltage half-waves arrive from the devices 13 and 14 depending on the control deviation on the switching transistor arrangements mentioned.

Diese Schalttransistoranordnungen können verschiedenartig ausgebildet sein. Sie können beispielsweise, wie in Fig. 2 angegeben ist, aus einer Gegenparallelschaltung zweier Transistoren 15 und 16 mit in Emitterrichtung durchlassenden vorgeschalteten Gleichrichtern 17 und 18 bestehen; diese Anordnung ist zwischen einem Netzleiter R und einem Wicklungsstrang 6 angeordnet. Die Gleichrichter dienen dazu, einen Kurzschluß desjenigen Transistors zu verhindern, an dem die Spannung, gegenüber seiner normalen Arbeitsperiode, umgekehrt anliegt. Die nicht näher bezeichneten Steuerklemmenpaare der Transistoren 15, 16 sind z. B. mit der Einrichtung 13 verbunden, wie dies weiter unten noch näher angegeben ist. Die Gleichrichter 17 und 18 können fortfallen, wenn die Schalttransistoranordnung nach Fig. 3 ausgebildet ist. Bei dieser sind die Transistoren 19 und 20 in Gegenreihenschaltung in dem Stromkreis des Wicklungsstranges 6 angeordnet.These switching transistor arrangements can be designed in various ways. For example, as indicated in FIG. 2, they can consist of a counter-parallel connection of two transistors 15 and 16 with upstream rectifiers 17 and 18 which are conductive in the emitter direction; this arrangement is arranged between a network conductor R and a winding phase 6. The rectifiers are used to prevent a short circuit of the transistor to which the voltage is applied in reverse compared to its normal operating period. The unspecified control terminal pairs of the transistors 15, 16 are z. B. connected to the device 13, as will be indicated in more detail below. The rectifiers 17 and 18 can be omitted if the switching transistor arrangement according to FIG. 3 is designed. In this case, the transistors 19 and 20 are arranged in counter-series connection in the circuit of the winding phase 6.

Eine weitere Möglichkeit des Aufbaues der Schalttransistoranordnung ist in Fig.4 angegeben, bei der nur ein einziger Schalttransistor 54 benötigt wird, da die Emitter-Basisfunktion umgesteuert wird mit Hilfe eines Transformators 46 mit zwei Sekundärwicklungen 47 und 48, die über Widerstände 49 und 53 an die Außenelektroden des Transistors 54 und über die Sekundärwicklung eines Steuertransformators 51 gemeinsam an die Basis des Schalttransistors 54 angeschlossen sind. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Sekundärwicklungen 47 und 48 und den Außenelektroden sind noch zwei Gleichrichter 50 und 52 vorgesehen, deren Durchlaßrichtung auf den gemeinsamen Verbindungspunkt der Sekundärwicklung weist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 46, die ebenfalls unmittelbar an die Außenelektroden angeschlossen ist, und den beiden Sekundärwicklungen beträgt jeweils 1:1, so daß bei einer Polarität an der Basis des Transistors 54 das Potential des Emitters liegt; da die an der Wicklung 48 liegende Spannung über den Gleichrichter 52 kurzgeschlossen ist und an der: Sekundärwicklung 47 die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter wirksam ist. Bei Umkehrung der Polarität dreht sich auch die Spannung sekundärseitig um und die Basis hat nunmehr das Potential der früher als Kollektor, jetzt als Emitter wirkenden Elektrode. Die Steuer- bzw. Regelgrößen werden dem Transformator 51 zugeführt, wie dies - zusammen mit der Wirkungsweise der Schalttransistoranordnung - im einzelnen bereits an anderer Stelle beschrieben wurde. Als Transistoren sind vorteilhaft symmetrische p-n-p-Transistoren vorzusehen.Another possibility for the construction of the switching transistor arrangement is indicated in Fig. 4, in which only a single switching transistor 54 is required, since the emitter base function is reversed with the aid of a transformer 46 with two secondary windings 47 and 48, which are connected to the external electrodes via resistors 49 and 53 of the transistor 54 and via the secondary winding of a control transformer 51 together are connected to the base of the switching transistor 54. Between the common Connection point of the two secondary windings 47 and 48 and the external electrodes are still two rectifiers 50 and 52 provided, the direction of flow on the common connection point of the secondary winding has. The gear ratio between the primary winding 46, which is also directly connected to the outer electrodes is connected, and the two secondary windings is each 1: 1, so that with one polarity at the base of transistor 54, the potential of the emitter is; since the voltage across the winding 48 is short-circuited via the rectifier 52 and on the: secondary winding 47 the voltage between the collector and emitter is effective. If the polarity is reversed, the voltage on the secondary side also rotates around and the base now has the potential of formerly as a collector, now as an emitter acting electrode. The control or regulation variables are fed to the transformer 51, how this - together with the mode of operation of the switching transistor arrangement - in detail has already been described elsewhere. Symmetrical transistors are advantageous Provide p-n-p transistors.

Zur Impulstastung nach dem in den Fig. 5 a und 5 b, dargestellten Schema werden für die Einrichtungen 13 und 14 bereits an anderer Stelle beschriebene Anordnungen; sogenannte Amplivibratoren, verwendet, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Die Schalttransistoranordnungen 2 und 3 sowie die Schalttransistoranordnungen 4 und 5 werden jeweils gemäß Fig.1 an eine derartige, nachfolgend noch näher beschriebene Amplivibratoreinrichtung angeschlossen und sind in Fig.7 der übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Die Amplivibratoreinrichtung 13 besteht im wesentlichen aus zwei Transistoren 31 und 32 in astabiler Kippschaltung. Die Kollektorstromkreise sind über je einen Widerstand 23 bzw. 24 an eine speisende Gleichspannung angeschlossen, die durch die Gleichrichteranordnung 27 von der Sekundärwicklung 28 eines nicht gezeigten gemeinsamen Speisetransformators geliefert werden. In den Steuerkreisen der Transistoren liegt je ein Widerstand 22 bzw. 25. Zur Kopplung der Transistoren 31 und 32 dienen zwei Kondensatoren 29 und 30. Zur gemeinsamen Steuerung der Transistoren ist ein Hilfstransistor 35 vorgesehen, dessen Kollektorstromkreis je über einen der Widerstände 33 bzw. 42 einerseits an den einen Pol der Speisespannung und andererseits an den freien Pol einer zweiten Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, die aus einer von einem Transformator 40 gespeisten Gleichrichteranordnung 39 gebildet wird. Die Eingangsklemmen des Hilfstransistors 35, denen die Steuergröße in Form einer Gleichspannung zugeführt wird, sind mit 41 bezeichnet. Zur Steuerverbindung mit den Transistoren 31 und 32 dienen zwei Gleichrichter 34 und 36 und eine Gleichspannungsquelle 37. An einen der Widerstände 23 und 24 ist über einen Verstärker 21 der Steuerkreis der Schalttransistoranordnungen 2 und 3 angeschlossen. Die beiden Amplivibratoren 13 und 14 sind eingangsseitig in Reihe geschaltet, wobei von Gleichrichtern 43 und 44 gespeiste Widerstände sowie ein von der Rückführung beaufschlagter Widerstand angeordnet sind. Der Gleichrichter 43 wird hierbei mit dem Elektrodenstrom, der Gleichrichter 44 mit der Lichtbogenspannung beaufschlagt. Die Abhängigkeit der Amplivibratoren 13 und 14 von den Schaltelementen 11 ist so beschaffen, daß jeweils der eine Hilfstransistor geöffnet, der andere gesperrt ist.For pulse sensing according to the scheme shown in FIGS. 5 a and 5 b, arrangements are already described elsewhere for the devices 13 and 14; so-called amplivibrators, as shown in FIG. 7, are used. The switching transistor arrangements 2 and 3 and the switching transistor arrangements 4 and 5 are each connected in accordance with FIG. 1 to such an amplivibrator device, which will be described in more detail below, and have been omitted in FIG. The amplivibrator device 13 consists essentially of two transistors 31 and 32 in an astable multivibrator. The collector circuits are each connected via a resistor 23 or 24 to a feeding direct voltage, which is supplied by the rectifier arrangement 27 from the secondary winding 28 of a common feed transformer (not shown). In the control circuits of the transistors is a resistor of 22 or 25. For coupling the transistors 31 and 32 are two capacitors 29 and 30. In order to joint control of the transistors, an auxiliary transistor 35 is provided having its collector circuit, depending on one of the resistors 33 and 42 is connected on the one hand to one pole of the supply voltage and on the other hand to the free pole of a second DC voltage source, which is formed from a rectifier arrangement 39 fed by a transformer 40. The input terminals of the auxiliary transistor 35, to which the control variable is fed in the form of a direct voltage, are denoted by 41. Two rectifiers 34 and 36 and a DC voltage source 37 serve for the control connection with the transistors 31 and 32. The control circuit of the switching transistor arrangements 2 and 3 is connected to one of the resistors 23 and 24 via an amplifier 21. The two amplivibrators 13 and 14 are connected in series on the input side , resistors fed by rectifiers 43 and 44 and a resistor acted upon by the feedback being arranged. The rectifier 43 is charged with the electrode current, the rectifier 44 with the arc voltage. The dependence of the amplivibrators 13 and 14 on the switching elements 11 is such that one auxiliary transistor is opened and the other is blocked.

Für den angegebenen Fall der Elektrodenverstellung erfolgt die Regelung durch Vergleich von Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom.The regulation takes place for the specified case of electrode adjustment by comparing arc voltage and arc current.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for controlling the direction of rotation and Speed of a three-phase induction motor depending on a control or Controlled variable by switching or periodically switching its mains supply lines on and off, using switching transistors arranged in the power supply lines, thereby characterized in that at least two winding phases of the motor each have two switching transistor arrangements are each connected to at least two power lines, and that the each desired direction of rotation in operation switching transistor arrangements by at least one periodic reversal in each mains voltage half-wave from open to locked state and vice versa the rms value of the phase voltages influence in terms of speed control.

2. Device according to claim 1, characterized characterized in that the switching transistor arrangements each consist of two in opposite parallel connection arranged, individually controllable transistors exist, each in the emitter-base direction permeable blocking elements are connected upstream.

3. Device according to claim 1, characterized characterized in that the switching transistor arrangements each consist of two in series connection arranged, individually controllable transistors exist.

4. Device according to claim 1, characterized in that the switching transistor arrangements each consist of a transistor exist, a transformer to swap the functions of emitter and collector with one primary winding connected to the outer electrodes and two to one each Outer electrode as well as the base secondary windings connected via resistors with gear ratios 1: 1 is assigned, the outer electrodes with the base by two one-way blocking members arranged in the forward direction to the base and a secondary winding arranged in the common base connection Control converter are connected.

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that that as a device for periodic reversal of the switching transistor arrangements an automatically tilting transistor circuit is provided. Considered Publications: German Patent Nos. 399 685, 751581; U.S. Patent No. 2,722,649; Elektro-Anzeiger, Essen, No. 9 v. 3.3. 1956, pages 5 to 6; No. 29/30 v. July 28, 1956, pp. 13 to 15; Proc. of the I. R. E., 1952, p. 1511.