DE3111819A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der drehzahl eines asynchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors.

Bei der Entwicklung einer neuen Form von Motorschutzschalter zum Schutz von Asynchronmotoren gegen unzulässig hohe Erwärmung hat es sich erwiesen, dass eine Ermittlung der Motordrehzahl unumgänglich ist. In diesem Zusammenhang ist es auch wünschenswert, dass Drehzahlermittler, die separate Leitungen zum Motor verlangen, vermieden werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehzahlermittlung zu schaffen, die dieser Anforderung genügen, d.h. keine separaten Leitungen zum Motor erfordern.

Erfindungsgemäss nutzt man hierzu das im Motorstrom vorhandene Spektrum von Obertönen aus, wobei die Aufgabe der Erfindung mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln und Massnahmen erreicht wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Ansicht das FrequenzSpektrum des Motorstroms eines Asynchronmotors,

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsmässigen Ermittlungsvorrichtung ,

Fig. 3 in schematischer Ansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsmässigen Ermittlungsvorrichtung,

Fig, 4 ein Kreisbild der Teile der Vorrichtung gemäss

Fig. 3, und
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Fig. 5 ein Beispiel einer erwünschten Charakteristik eines

in der Vorrichtung enthaltenen Bandpassfilters.

Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, umfasst der Motorstrom eines Asynchronmotors ausser dem eigentlichen Grundton f , üblicherweise 50 Hz, auch die ungeraden Obertöne, d.h. m · fs m = 3, 5, 7, 9 ... Diese Obertöne haben selbstverständlich eine wesentlich niedrigere Amplitude als der Grundton. Bei noch niedrigerer Amplitude gibt es unter jedem Oberton ein Spektrum anderer Töne (in der Zeichnung nur unter dem Oberton 9f gezeigt)« Diese Komponenten des Motorstroms werden von dem Eisen und der Geometrie der Nuten im Motor gebildet. Die nichtlinearen magnetischen Eigenschaften des Eiser.s erzeugen somit Obertöne zum Ständergrund ton, der Netzfrisquenz, wie auch zum Laufergrundton, welcher die Netzfrequenz multipliziert mit dem Nachlauf ist. In dem unter einem Oberton vorhandenen Spektrum ist der Frequenzunterschied im Verhältnis zum Oberton der Form n· s · f , n=l, 2, 3, ..., wo s der Nachlauf ist. Die am meisten hervortretenden dieser Komponenten haben meistens η = 10 bzw, η = 14. Für η > 20 ist die Amplitude niedrig im Verhältnis zu niedrigen Werten von n.

Praktisch nutzt die Erfindung das oben geschilderte Verhältnis dadurch aus, dass sie aus dem genannten Frequenzunterschied den Nachlauf bestimmt, wodurch die Drehzahl gegeben ist. Somit kann der Frequenzunterschied zwischen dem infragestehenden Oberton zur Ständerfrequenz und dem am meisten hervortretenden Ton im Spektrum unmittelbar unter dem infragestehenden Oberton gemessen werden.

Die in Fig, 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsmässigen Ermittlungsvorrichtung besitzt ein Bandpassfilter 1, dem mittels eines Stromtransformators 2 ein Signal zugeführt wird, das mit dem Strom zur Ständerwicklung eines Drehstrommotors 3 übereinstimmt. Der Ausgang des Bandpass-

filters 1 ist an einen Hüllkurvendetektor 4 angeschlossen, dem somit ein Signal mit Frequenzen innerhalb eines gewählten Frequenzbandes zugeführt wird, das unter einem' gewählten Oberton zur Ständerfrequenz liegt und diesen 5 Oberton noch umfasst. Der Detektor 4 gibt an seinem.Ausgang ein Signal ab, das der Hüllkurve des Ausgangssignals vom Bandpassfilter 1 entspricht.

Dadurch, dass die Hüllkurvenfrequenz in vorausbestimmbarer Weise auf den Nachlauf bezogen ist, kann die Drehzahl N des Motors 3 leicht aus der Relation N=N.(1-s) bestimmt werden, wo N, die synchrone Drehzahl ist.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann statt des in Fig. 2 gezeigten Hüllkurvendetektors 4 eine Schleife 5 mit Phasenrastung an den Ausgang des Bandpassfilters 1 angeschlossen werden. Die Schleife 5 rastet auf der Frequenz der höchsten Amplitude. Ein an den Ausgang der Schleife 5 angeschlossener Periodendauerzähler 6 misst in bekannter Weise die Periodendauer der Frequenz, auf der die Schleife 5 gerastet ist. Die dem Periodendauerzähler 6 nachgeschaltete Kreisstufe 7 führt auf Grundlage der Periodendauer des infragestehenden Obertons und der vom Periodendauerzähler 6 bestimmten Periodendauer eine Bestimmung des Nachlaufs s und somit der Drehzahl aus.

Falls zwei oder mehrere Töne im wesentlichen die gleiche Amplitude in dem vom Bandpassfilter 1 ausgeschiedenen Spektrum haben, wird die Messung in der Ausführungsform gemäss Fig. 3 auf die Signalkomponente mit dem grössten η gegründet. Hierdurch erhält man nur ein relatives Mass des Nachlaufs oder der Abweichung von der synchronen Drehzahl, Eine absolute Bestimmung der Drehzahl erfordert in diesem Falle eine Bestimmung von η für die infragestehende Komponente, und dies kann anhand irgendeiner Frequenzanalyse des untersuchten Spektrums erfolgen. Alternativ können die

Messdaten von Surom und berechneter Drehzahl mit den Nenndaten des Motors verglichen werden.

Als dritte, alternative Ausführungsform kann das zeitveränderliche Signal vom Bandpassfilter 1 einer Vorrichtung zugeführt werden, die eine sog. schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform) ausführt, wodurch ein Uebergang zur Frequenzebene erzielt wird und die infragestehenden Frequenzunterschiede wie auch der Nachlauf und die Drehzahl leicht berechnet werden können.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Bandpassfilters 1 und der Schleife 5 mit Phasenrastung in Fig. 3. Das Bandpassfilter 1 besteht aus drei kaskadengeschalteten Filtereinheiten A, B und C, von denen die Einheit A aus einem passiven Bandpassfilter und einem nachgeschalteten Pufferverstärker besteht, dessen Aufgabe es ist, den Grundton (50 Hz) zu entfernen, welcher sonst infolge seiner hohen Amplitude die nachfolgenden Kreise übersteuern würde. Die Einheiten B und C sind aktive Bandpassfiltereinheiten mit etwas unterschiedlichen mittleren Frequenzen, wodurch für die Einheiten A, B und C zusammen eine Frequenzcharakteristik erzielt wird, die eine gute Annäherung einer erwünschten Charakteristik darstellt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die erwünschte Frequenzcharakteristik eine solche, dass sie Frequenzen unter dem Oberton 11 * 50 Hz = 550 Hz und über dem Oberton 10 · 50 Hz = 500 Hz durchlässt. Die Dämpfung beiderseits des Passfilters ist so hoch wie 60 dB.

Der Ausgang der Filtereinheit C ist an den Eingang einer Schleife 5 mit Phasenrastung angeschlossen, die aus einem integrierten Standardkreis vom Typ LM565 mit äusseren Komponenten zur Signalanpassung am Eingang und zur Ein-

Stellung der Freischwingungsfrequenz aufgebaut ist, d.h. derjenigen Frequenz, mit der die Schleife 5 oszilliert, wenn an deren Eingang kein hinreichend starkes Signal auftritt. Die Freischwingungsfrequenz wird derart eingestellt, dass sie gerade über dem infragestehenden Passband (etwa 560 Hz) liegt.

Der Ausgang der Schleife 5 mit Phasenrastung ist an den Eingang eines Frequenzteilers 8 angeschlossen, beispielsweise vom Typ CD4040, der die Frequenz des Eingangssignals durch den Faktor 32 teilt. Dadurch hat das Ausgangssignal vom Teiler 8 eine Periodendauer, welche 32 mal länger ist als die Periodendauer des Eingangssignals und somit entsprechend leichter mit der erwünschten Genauigkeit bestimmbar ist.

Das eigentliche Messen der Periodendauer, wo die Frequenzteilung als eine vorbereitende oder erste Massnahme angesehen werden kann, kann wie auch die Wandlung auf den Nachlaufwert entweder mittels diskreter Kreise oder mit Hilfe eines in zweckdienlicher Weise programmierten Rechners ausgeführt werden.

Leerseite

Claims (9)

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten des Motorstroms in einem Frequenzband unter einem Oberton des Grundtons des MotorStroms ausgeschieden werden, 5 dass der Frequenzunterschied zwischen dem Oberton und zumindest einer dieser Komponenten festgestellt wird, und dass der Nachlauf und somit die Drehzahl aus dem Frequenzunterschied bestimmt werden.

10 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Komponenten mittels eines Bandpassfilters ausgeschieden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-

k-ennzeichnet, dass der Frequenzunterschied mittels eines Hüllkurvendetektors auf Grundlage einer Schwebungsfrequenz zwischen dem Oberton und einer der genannten Komponenten bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzunterschied und der Nachlauf mittels dem Bandpassfilter nachgeschalteter Kreisglieder bestimmt werden, die der Reihe nach eine Schleife mit Phasenrastung, einen Periodendauerzähler und einen Periodendauer-Nachlaufwandler umfassen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzunterschied durch Frequenzanalyse, vorzugsweise auf Grundlage einer schnellen Fourier-Transformation, der genannten Komponenten bestimmt wird,

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors, gekennzeichnet durch ein Bandpassfilter (1) zur Ausscheidung von Komponenten des Motorstroms in einem Frequenzband unter einem Oberton des Grundtons des Motorstroms, sowie Kreisglieder (4; 5-7) zur Bestimmung des Nachlaufs und somit der Drehzahl aus dem Frequenzunterschied zwischen dem Oberton und zumindest einer der Motorstromkomponenten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die genannten Kreisglieder einen an den Ausgang des Bandpassfilters angeschlossenen Hüllkurvendetektor (4) umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die genannten Kreisglieder nach dem Bandpassfilter der Reihe nach eine Schlinge (5) mit Phasen-

rastung, einen Poriod^ndauerzähler (6) ¹T^ einen Periodendauer-Nachlaufwandler (7) umfassen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Kreisglieder Mittel zur Durchführung einer Frequenzanalyse, vorzugsweise auf Grundlage einer schnellen Fourier-Transformation, der genannten Komponenten umfassen.