DE2715464C2 - Vorrichtung zum Messen der Lastbedingungen eines Antriebs - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Lastbedingungen eines Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Überwachung der Lastverhältnisse eines Induktionsmotors sind zahlreiche Versuche unternommen worden, bei denen Rückschlüsse auf die Lastverhältnisse aus dem Motorstrom gewonnen werden. Dieser Parameter schwankt jedoch beträchtlich mit Schwankungen der Umgebungstemperatur. Im allgemeinen sind die Veränderungen der Stromgröße mit der Last nicht linear über einen größeren Lastschwankungsbereich, so daß es schwierig wird, den Stromwert für eine präzise Aussage über die Lastverhältnisse heranzuziehen. Darüber hinaus liegen erheblich unterschiedliche Bedingungen für die Stromwerte bei Motoren unterschiedlicher Größe vor, so daß für verschiedene Motorgrößen spezielle Schaltungsbildmessungen erforderlich werden. Andererseits ist es bekannt, daß der Motorschlupf eine gute Anzeige für die Lastbedingungen des Motors darstellt, die praktisch über einen weiten Lastbereich linear abhängig ist, und dennoch wurde dieser Parameter bisher nicht für eine einfache Lastüberwachung ausgenutzt. So werden bisher komplexe und teure elektronisehe Zeitmeß- und Zählschaltungen mit Präzisionsoszillatoren eingesetzt, die Temperaturkonstanthaltung und sonstige Präzisionseinrichtungen benötigen, um die kleine Schlupfdrehzahl von etwa 30 bei der hohen Synchrondrehzahl von beispielsweise 1800 l/min feststellen.

Aus der US-PS 27 04 824 ist ein Testgerät für Motoren und Generatoren bekannt, das einen universell einsetzbaren, an unterschiedliche Motortypen anpaßbaren Apparat mit den erforderlichen Halterungen für die Armaturen angibt Mit diesem Testgerät sollen Fehler an getesteten Motoren erkannt werden. Dieser Apparat liefert in Abhängigkeit der Drehzahl einer Motorwelle Signalimpulse. Dieses Testgerät weist jedoch kein Antriebszubehör zur Lastmessung auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die den Schlupf und damit die Belastung des Antriebsmotors erfaßt und anzeigt, eine vielseitige Motoriastüberwachungseinrichtung darstellt, in allen Anwendungsfällen unter verschiedenen Umgebungstemperaiurbedingungen arbeitet und keinen Eingriff in die Energiezufuhr zum Antrieb erforderlich macht Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Einrichtung von Größenunterschieden der Motoren unabhängig sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfassungs- und Anzeigevorrichtung für die Motorlast gemäß der Erfindung,

F i g. 2 Impuls-Zeit-Diagramme zur Erläuterung des Wirkungsprinzips der bei der Erfindung verwendeten digitalen Spannungsvergleichskreise,

F i g. 3 eine Kurvendarstellung der Abhängigkeit zwischen Motorlast und Schlupf, wie sie für die Erfindung ausgenutzt wird,

F i g. 4 ein stärker ins einzelne gehendes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Steuerschaltkreisen,

F i g. 5 ein Schemaschaltbild einer bevorzugten Digitaleinrichtung, bestehend aus den beiden Figurenteilen 5a und 5b;

F i g. 6 das Blockschaltbild einer bevorzugten Analogausführungsform.

F i g. 7 ein Systemdiagramm zur Darstellung der Wirkungsprinzipien der Erfindung,

Fi g. 8 das Blockschaltbild einer bevorzugten elektrischen Schaltkreisausführung der Erfindung,

F i g. 9 ein schematisches Schaltbild einer Ausgangssteuerschaltung, und

Fig. 10 eine andere Ausführungsform einer derartigen Steuerschaltung.

In der F i g. 1 ist eine Motorwelle 10 dargestellt, die sich in der durch Pfeil angedeuteten Richtung dreht und einen ferromagnetischen Vorsprung 11 trägt, der durch seine Annäherung an einen Detektor 12 bei jeder Umdrehung der Welle eine Wirkung hervorruft, die durch aufeinanderfolgende Impulse 13 die Drehzahl des Motors anzeigt. Die vom Detektor hervorgerufenen Impulse werden in einem Impulsformerkreis 14 so geformt, daß sie als Triggerimpulse in einer Impulsgeneratorschaltung 15 verwendet werden können, die an ihrem Ausgang Steuerimpulse 16 erzeugt.

Wie genauer aus den Impulsformen in der F i g. 2 zu sehen ist, ist der Impulsgenerator im wesentlichen ein monostabiler Multivibrator, der Rechteckimpulse erzeugt. Jeder Triggerimpuls 17 erzeugt folglich einen Rechteckimpuls 18 mit einer Impulsdauer τ von einer

bestimmten Grundzeitdauer wie etwa 30,883 msec, die kürzer als die normale Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen ist. Für die Bestimmung der Zeitdauer des Rechteckimpulses 18 kann die Motorcharakteristik eines speziellen Kurzschlußläufer-Synchronmotors herangezogen werden, wie sie die F i g. 3 zeigt. Bei einer Motorwellendrehzahl von 1800 1/min als synchroner Drehzahl erhält man für den Leerlauf eine Drehzahl von 17 999 l/min und damit eine Schlupfdrehzahl von 1 l/min. Bei Vollast ergibt sich mit einer Schlupfdrehzahl von 36 l/min eine Wellendrehzahl von 1764 l/min. Somit erhält man bei Vollastdrehzahl für eine Wellenumdrehung 34,383 msec, was in der F i g. 2 mit der Zeitspanne T zwischen aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen 17 eingetragen ist.

Für Vollast wird nun die durch die ins Positive gehende Flanke des Steuerimpulses 19 bestimmte Dauer t auf beispielsweise 3,5 msec, festgelegt. Somit ist die Dauer r des Rechteckimpulses 18 die Differenz, nämlich 30,883 msec. Da für die Impulsdauer des Impulses 18 eine feste Zeitspanne vorgesehen wird, ändert sich die Impulsbreite B des Steuerimpulses 19 abhängig von der Motorlast im wesentlichen linear, was aus der Kurve 20 in F i g. 3 im Bereich zwischen 10% und 110% der Last ersichtlich ist Zum Vergleich ist der Motorstrom mit der Kurve 21 in die Darstellung eingetragen, woraus ersichtlich ist, daß der Schlupf in Abhängigkeit von der Motorlast eine stärkere Linearität aufweist als der Motorstau. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, daß für die erfindungsgemäße Vorrichtung keinerlei Eingriff in den elektrischen Schaltkreis des Motors vorgenommen werden muß, da der Sensor 12 in den Motorstromkreis nicht eingreift.

Wenn die Belastung den Nennwert übersteigt und z. B. 125% annimmt, dann ändert sich die Breite B' des Steuerimpulses 19, wie dies durch die Kurve 16' in F i g. 2 angedeutet ist, da infolge der Vergrößerung des Schlupfes die Triggerimpulse weiter auseinanderliegen. Die Breite B' entspricht deshalb einer längeren Dauer. Bei geringerer Last, z. B. 75% der Nennlast, hat die Impulsbreite B" dagegen eine Dauer von weniger als 3,5 ms. Es ergibt sich also bei einem Wirbelstromkäfigläufermotor von der Art, welcher die Drehzahl-Last-Kurve aus F i g. 3 aufweist, eine praktisch lineare Proportionalität zwischen der Dauer t des Steuerimpulses 19. der vom Impulsgenerator 15 abgegeben wird, nach folgender Aufstellung:

Last in °/o	Impulsdauer
der Nennlast	der Steuer
	impulse 19 (ms)
75	3,235
80	3,288
85	3341
90	3394
95	3,447
100	3400
105	3453
110	3,606
115	3,659
120	3,706
125	3,733

Man kann feststellen, daß gegen höhere Lastwerte zu die Linearität streng nicht mehr gewahrt ist was auch der Kurve 20 in der F i g. 1 zu entnehmen ist.

Mit dem Filterkreis 22 in F i g. 1 können die Steuerimpulse 19 in einen Gleichstrompegel umgewandelt werden, mit dem dann der Zeiger eines Gleichstrominstrumentes 23 verstellt werden kann, was als Sichtanzeige der Motorbelastung in % der Nennlast dient.

Für eine digitale Anzeige der Last und zur Erzeugung von Alarmsignalen, die zur Steuerung der Lasteinrichtungen oder eines sonstigen Steuersystems verwendet werden können, kann ein Flip-Flop 30 mit Hilfe der Steuerimpulse 19 gesteuert werden. Eine nach Belieben einstellbarer Grenzwertwarneinrichtung kann mit Hilfe einer Einstellvorrichtung an einem Bezugslastwertgenerator 32 einreguliert werden. Damit werden positive und negative Rechteckimpulsfolgen 33 und 34 mit bestimmter Impulsdauer als Ausgangssignale eines monostabilen Multivibrators abgegeben, der durch die voranlaufenden Flanken der Steuerimpulse 19 synchronisiert wird.

Eine Verzögerungsschaltung 35 sorgt für eine geringfügige Verzögerung von etwa 40 ns und erzeugt verzögerte Steuerimpulse 19/4 und 19ß von positiver und negativer Polarität. Mittels Vergleichsschaltungen wie der U N D-Schaltkreise 36 und 37 können deshalb die negativen und positiven Impulse (19Λ und \9B), das Alarm-Flip-Flop 30 in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Impulsdauer f der Steuersignale 19/4 bzw. 19ß setzen oder löschen.

Wenn angenommen wird, daß eine bestimmte Oberlastung von beispielsweise 110% als Grenzeinstellung an der Einstelleinrichtung 31 ausgewählt ist, so werden durch einen Vergleichsimpulsgenerator 32 bei Erreichen dieser Grenze Bezugsimpulse 33,34 mit einer Zeitdauer von 4,1 ms erzeugt. Diese Impulse sind zeitlich synchronisiert mit dem Auftreten der Steuerimpulse 19.

Immer, wenn die Impulsdauer eines Steuerimpulses 19 vom Impulsgenerator 15 länger als die Dauer des Impulses 34 ist, erzeugt die UND-Schaltung 36 einen Triggerimpuls, der das Flip-Flop 30 setzt, welches dann auf der Ausgangsleitung 40 ein Alarmsignal ausgibt. Ist dagegen der Steuerimpuls 19 kurzer als der Bezugsimpuls 33, dann löscht das UND-Gatter 37 das Flip-Flop 30, womit angezeigt wird, daß der Motor nicht über die Überlastgrenze hinaus, die an der Einstellung 31 vorgegeben ist, belastet ist.

Eine weitergehende Schaltungsbestückung zeigt die F i g. 4. Die Teile, die in derselben Weise arbeiten, wie dies bisher bereits anhand der vorhergehenden Figuren beschrieben ist, haben darin gleiche Bezugszeichen, wobei durch einen Strich an den Bezugszeichen eine geringfügige Abwandlung angedeutet wird und das mit einem Buchstaben am Bezugszeichen eine Verdoppelung der Schaltung zum Ausdruck bringt Die Grundfunktion der Schaltung der F i g. 4 ist im wesentlichen gleich der Schaltung von Fig. 1. Ein Temperaturkompensationsnetzwerk 42 verhindert daß sich die Dauer der Steuerimpulse mit Schwankungen der Umgebungstemperatur in einem weiten Anwendungsbereich ändert Eine Verzögerungsschaltung 43 hält die Vergleichsschaltkreise 36 und 37 unwirksam, bis der Motor auf seinen stationären Zustand hochgelaufen ist nachdem er eingeschaltet wurde, und verhindert außerdem über eine Torschaltung 45, daß ein Alarmzustand am Flip-Flop 30 gelöscht wird, bevor eine Aufwärmzeitspanne vorüber ist die an der Verzögerungsschaltung 43 eingestellt ist

Eine Transistorschaltung 44 besitzt einen Leistungsausgang zur Betätigung von Relais oder zur Verwendung in weiteren Steuerfunktionen des Systems. In dem

Schaltkreis des Analoganzeigeinstruments verhindert eine Torschaltung 46 die Abgabe eines Analogausgangs, wenn dadurch eine Alarmbedingung geschaffen wird. In einem Filter 22' kann eine Bereichoeinstellung vorgenommen werden, während ein Schaltkreis 47 für eine Nullpunkteinstellung sorgt, wobei diese Einstelleinrichtung auf Verstärker 48 und 49 für das Anzeigeinstrument 23 einwirkt. Die Wirkungsweise dieser Schaltung soll anhand der F i g. 5 durchgesprochen werden, in der die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie im Blockschaltbild der F i g. 4.

Der Fühler 12 ist ein Hallgenerator etwa der Type Airpax Mini 40004 oder ein gleichwirkender Fühler, der entweder mit einer Ausnehmung oder einem Vorsprung an der Motorwelle arbeitet, um dadurch einen positiven oder negativen Impuls zu erzeugen. Mit Hilfe eines Kondensators 51 wird dieser Impuls einem Verstärker 14 mit hohem Verstärkungsfaktor zugeleitet, in welchem der Triggerimpuls in einen Rechteckimpuls umgesetzt wird. Das Widerstandsnetzwerk, mit dem die Vorspannung erzeugt wird, enthält auch den Abstimmwiderstand 52. Der Verstärker 14 stellt eine mit hoher Eingangsimpedanz versehene, temperaturkompensierte Eingangsstufe für einen monostabilen Multivibrator 15 dar, der als integrierte Schaltung aufgebaut sein kann. Dieser monostabile Multivibrator wird von der einmal pro Wellenumdrehung auftretenden ansteigenden oder abfallenden Impulsflanke ausgelöst. Der .RC-Zeitsteuerkreis weist einen Abstimmwiderstand 53 auf, mit dem die Dauer r eingestellt werden kann, und das Diodennetzwerk 54 zur Temperaturkompensation ist so ausgewählt, daß es bei 1735 l/min bei dem oben beschriebenen Beispiel einen Spannungsabfall hervorruft, der bei Temperaturanstieg ein Abfallen des Stroms in den Multivibrator zur Folge hat. Dadurch werden Fehler in der Impulsdauerabnahme bei steigender Temperatur vermieden, was anderenfalls auftreten könnte. Die Verzögerungsschaltung 35 kann eine integrierte Schaltung mit sechs invertierenden Pufferverstärkern sein, die jeweils eine Verzögerung von 6,6 ns und dann 7 eine Gesamtverzögerung von 40 ns aufweisen und von denen invertierte Ausgangswerte an ihren Leitungen 55 und 56 abgegeben werden.

Die Verzögerungsschaltung 43 gibt dem Motor Gelegenheit, warm zu werden oder in stationären Zustand zu kommen. Eine typische Verzögerungszeit ist dabei 20 see, doch läßt sich mit dem Widerstand 57, der einen Wert zwischen 0 und 10 ΜΩ aufweist eine Verzögerung bis zu 220 see einstellen (Fig. 5B), während der Widerstand 58 zur Feineinstellung von 1 bis 20 see dient, um eine genau gewünschte RC-Verzögerungszeit zu erzeugen. Typischerweise wird die Spannung an der Klemme 59 erzeugt, wenn der Motor in Gang gesetzt wird. Eine Diode 60 dient dazu, den Kondensator 61 schnell zu entladen, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Die Diode 62 gibt eine positive Rückkopplung, wodurch ein schnelles, schwingungsfreies Schalten erreicht wird, um auf der Ausgangsleitung 63 am Ende der Zeitspanne eine Spannung zu erzeugen, die die Torschaltungen aktiviert, mit denen die Verzögerungsschaltung 43 in Verbindung steht

Als Vergleichsimpulsgeneratoren wirkende monostabile Multivibratoren 32 und 32Ä arbeiten in gleicher Weise und können integrierte Schaltungen sein. Ein RC-Zeitsteuernetzwerk 31 besitzt einen Einstellwiderstand 64, mit dem die Zeitdauer des Ausgangsimpulses für die obengenannten Zwecke eingestellt werden kann. Der damit auswählbare Bereich ist 75% bis 105% der Last, bezogen auf die Nennlast unter Betriebsbedingung. Bei einem Übergang von tiefen auf hohen Pegel an allen Eingangsleitungen werden UND-Schaltungen 36 (und 36Λ usw.) geöffnet und müssen folglich das zeitverzögerte Ausgangssignal 63 für ihre Aktivierung abwarten. Der Steuerimpuls 19 des monostabilen Multivibrators 15 wird mit dem Vergleichsimpuls des monostabilen Multivibrators 32 an der UND-Schaltung 36 verglichen. Dadurch wird der Multivibrator 32 von einem Übergang des Steuerimpulses 19 von tiefen auf hohen Pegeln auf der Leitung 70 getriggert und ruft an den Ausgangsleitungen 71 und 72 den zeitgesteuerten Vergleichsausgangswert mit entgegengesetzten Polaritäten hervor. Der von hohem nach tiefem Pegel gehende Steuerimpuls 19 tritt an der Leitung 72 auf und wird von der UND-Schaltung 37 weitergeleitet, um das Flip-Flop 30 zu löschen. Der von tiefem nach hohem Pegel gehende Steuerimpuls 19 auf der Leitung 71 wird dagegen von der UND-Schaltung 36 zum Setzen des Flip-Flops 30 geleitet.

Die UND-Schaltungen 36 usw können NAND-Schaltungen sein, wie sie in integrierten Schaltungen CD 4012 AD enthalten sind. Wenn der Steuerimpuls 19 vom monostabilen Multivibrator 15 eine längere Dauer hat als der Vergleichsimpuls vom Multivibrator 32 (und die Zeitverzögerung des Signals 63 hoch ist), dann wird das Flip-Flop 30 gesetzt, so daß vom Relais 75 im Transistorschaltkreis 44 ein Alarmzustand angezeigt wird.
Die UND-Schaltung 37 löscht das Flip-Flop 30, wenn der Multivibrator 15 eine Impulsdauer hat, die kürzer als die des Multivibrators 32 ist, wenn dieser verzögert und invertiert auf der Leitung 55 auftritt. Damit befindet sich das Flip-Flop 30 während der gesamten Überlastungsdauer im gesetzten Zustand, wobei die Überlastung an der Einstellung 64 gewählt wird, und das Flip-Flop wird gelöscht, wenn der Lastzustand wieder unter den gewählten Grenzwert absinkt. Verstärker-Inverter-Schaltungen 77 und dergleichen, wie UND-Schaltungen 78 mit zwei Eingängen, können aus der integrierten Schaltung CD 4011 AE aufgebaut sein. Die UND-Schaltung 78 verhindert, daß das Flip-Flop 30 gelöscht wird, bis die Verzögerungszeit, die bei 43 für das Motoranlaufen eingestellt ist, vorüber ist.
Das Einstellnetzwerk 31/4 des Multivibrators 32/4 arbeitet in ähnlicher Weise, dient jedoch der Einstellung zwischen 105 und 125% der Last bezogen auf Nennlast, was mit Hilfe des Stellwiderstandes 64/4 eingestellt wird, und wenn die Last diesen eingestellten Wert übersteigt, sorgt die UND-Schaltung 36Λ dafür, daß das Flip-Flop 30A gesetzt wird und daß über den Transistor 44/4 das Relais 80 betätigt wird, das durch die Schaltung 50 automatisch gehalten wird.

Die Fiip-Fiop-Schaitung 30 kann aus einer integrierten Schaltung CD 4013 AE aufgebaut sein, und als verriegelnde /?S-Flip-Flop-Schaltung geschaltet sein. Die Kondensatoren 85 und 85Λ bilden ein Eingangsfilter.

Die Halteschaltung 50 enthält ein ÄC-Netzwerk 90, mit dem die Haltezeit für das Relais 80 hervorgerufen wird. Die Diode 91 schaftt ein Schnellschaltnetzwerk für Invertierverstärker 92, und die Invertierverstärker 93 dienen als Pufferschaltung für den Betrieb des Transistors 44A.

Das analoge Steuer-UND-Gate 46 wird vom invertierten Ausgang 94 des Flip-Flop 30/4 betrieben, so daß, wenn zum Sperren des Schaltkreises kein Alarm vorhanden ist, die Anzeigeeinrichtung 23 die Impulsdauer f des Steuerimpulses 19 auf der Leitung 70 erfaßt, wonach sie im ÄC-Integriernetzwerk 22' integriert wird. Die In-

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tegrations-Zeitkonstante beträgt annähernd 10 ms. Das Potentiometer 95 dient als Vorspanneinstellwiderstand zum Instrumentenverstärkerschaltkreis. Das Potentiometer 96 dient in ähnlicher Weise als Nullpunkteinstellung für das Instrument, und die beiden Potentiometer sind mit gleichen Temperaturkoeffizienten gewählt, so daß sie über den Betriebstemperaturbereich gleiche Verhalten zeigen.

Das Instrument 23 ist ein 1-mA-Spannbandinstrument, dem von den beiden Differenzverstärkern 48 und 49 der Strom zugeführt wird, welche gleiche Verstärkungsfaktoren von 1,96 haben, was jeweils mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerks eingestellt wird. Ein Dioden-Widerstandsnetzwerk 98 dient zur Temperaturkompensation für den ganzen Analogabschnitt und die Instrumentenanzeige. Ein Kondensator 99 filtert den Rückkopplungszweig des Verstärkers 48.

Die Fig.6 zeigt in Blockschaltdiagrammform eine einfachere Ausführung der Analog-Schaltungseinrichtung, die nach demselben Grundprinzip arbeitet und einige Elemente verwendet, die auch bei den Ausführungsformen der F i g. 4 und 5 benutzt werden. Des einfacheren Verständnisses wegen haben Teile, die in gleicher Weise wirken, dieselben Bezugszeichen behalten.

Grundsätzlich werden die Steuerimpulse 19 mit sich ändernder Impulsbreite B im Filterkreis 22' umgewandelt in ein Gleichspannungssignal, das die Motorbelastung angibt und das auf der Leitung 110 auftritt, wobei die Signalhöhe abhängig von der Länge der einzelnen Steuerimpulse 19 ist. Dieses Gleichspannungssignal ist dasselbe wie das, mit dem das Instrument 23 in F i g. 4 angesteuert ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Instrument 23 über einen Verstärker Ul und einen Puffer 112 und über ein Auskoppel-Netzwerk 46 gespeist. Die Nulleinsteliung des Instrumentes wird mit Hilfe einer Nulleinstellvorrichtung 47' als Eingang zum Differentialverstärker 111 vorgenommen. Somit wird ein Lastsignalpegel abgeleitet und eingestellt in der Schaltung 22', und die Nullpegeleinstellung in der Schaltung 47' vorgenommen. Der sich daraus ergebende Spannungspegel auf der Leitung 120 hat vorzugsweise einen Bereich von 1 bis 10 Volt, was von den Steuer-Impulsen 19 erhalten wird. Die Analogvergleichskreise 136 und 137 geben eine Ausgangsspannung ab, um nachgeschaltete UND-Schaltkreise 236 und 237 zu betätigen, wenn sie von der Verzögerungsschaltung 43 geöffnet sind, sobald der Signalspannungspegel denjenigen von variabel ausgewählten Eingangsschwellwerten übersteigt, der in den Alarmschaltungen 132 und 132a gewählt ist, wobei die Einstellmaßnahme mit einer Pfeilspitze an der Schwellwertleitung 232 und 232a angezeigt ist, so daß eine Schwcüwcrtverglcichsspannur.g im Bereich zwischen ! und 10 Volt an jedem der beiden Komparatoren 136 und 137 zur Verfügung steht Eine Grobeinstellung der Schwellwertbereiche kann am Schaltkreis 232 vorgenommen werden, die eine geeignete Eingangsquelle für ein Gleichspannungspotential aufweist Die Vergleichsschaltungen 136 und 137 erzeugen im Betrieb ein Signal an den Transistorausgangskreisen 44 und 44a, sobald die Motorlast einen vorbestimmten Wert übersteigt, der durch die Schwellwertspannungseinstellungen in den Schaltungen 132,132a und 232 vorgegeben wird. Dieses analoge Ausgangssignal wird als Torsignal verwendet, das zur Steuerung verschiedener angeschlossener Lastkreise benutzt wird, in denen beispielsweise Relais betätigt werden und dergleichen.

Das Prinzip der Erfindung wird an einem weiteren Ausführungsbeispiel anhand der F i g. 7 erläutert. Die Antriebsvorrichtung 125 kann eine Induktions-Maschine oder ein Induktions-Motor mit Schlupf sein, deren Drehzahl von der Last abhängig ist. Die Drehzahl wird als Funktion der Drehung einer Welle 126 festgestellt, beispielsweise mit Hilfe eines Drehzahlfühlers 127 der oben beschriebenen Art, um damit Ausgangsimpulse 128, im vorliegenden Fall elektronische Signale, zu erzeugen.

ίο Solche Ausgangsimpulse 128 bestehen aus einer Kette einzelner Impulse mit dazwischenliegenden Impulsabständen oder anders ausgedrückt, aus einer Impulsfolge mit einer Impulsfolgefrequenz, welche eine Funktion der Drehzahl der Welle 126 ist. Die Impulse werden mit der Steuereinrichtung 129 weiterverarbeitet, woraus ein Ausgangssignal gewonnen wird, das abhängig ist von der Antriebsgeschwindigkeit und das vorzugsweise als Spannung oder Strom vorliegt.
Die Ausgangsanzeige kann ein Sichtanzeige-Instrument 130 sein mit einer Skala, die unmittelbar in Geschwindigkeit, Belastung und dergleichen geeicht ist. Eine andere Form kann eine Warnanzeige oder ein Drehzahländerungsdetektor 131 sein, der so geeicht ist, daß er abhängig von einer vorgegebenen Veränderung der Normalgeschwindigkeit anspricht. Es ist z. B. möglich, dafür ein relaisartiges Instrument zu verwenden. Im einfachsten Fall, wo keine hohe Genauigkeit des Instruments 130 gefordert wird, können die Impulse der Kette einfach mit einer WC-Schaltung integriert werden, wobei die Impulse zuvor nach Form und Amplitude durch eine Impulsbearbeitungseinrichtung 129 standardisiert werden. Die Ablesung am Instrument ist dann von der Impulsfolgerate, woraus die Drehzahl des Antriebs 125 ablesbar wäre. Die Belastung des Antriebs 125 ist in der F i g. 7 als irgendeine Arbeitsmaschine 140 dargestellt, wie etwa eine Teigrührmaschine oder dergleichen mit einer Welle 141 und einem Arm 142, der über ein Untersetzungsgetriebe 145 vom Motor 125 angetrieben wird. Wegen der Verwendung des Untersetzungsgetriebes, das beispielsweise eine Drehzahluntersetzung von 20 000/1 haben kann, ist die Antriebseinrichtung besonders empfindlich gegen Überlastung. So kann z. B. ein V2 PS Induktionsmotor bei Vollast mit 1725 1 pro Minute in einer Kläranlage einen Schlamm-ührer in einem Behälter mit 15,24 m Durchmesser antreiben, wobei die Belastung durch den Schlamm im Mittel 7 Pfund pro Fuß ist und der Antrieb über die Getriebe 145 mit einem Gesamtwirkungsgrad von 60% erfolgt. Eine Überlastung am Rührarm 142 würde unter solchen Bedingungen eine beträchtliche Steigung der Motorbelastung mit sich bringen, was leicht dazu verwendet werden kann, einen Alarm mit Hilfe des Detektors 131 auszulösen oder eine Anzeige am Instrument 130 hervorzurufen oder eine entsprechende schreibende Aufzeichnung, in der die laufenden Lastbedingungen festgehalten werden.

Es wurde bereits dargelegt, wie auf dem Instrument in linearer Abhängigkeit von der Last am Motor der Maßstabsfaktor bestimmbar ist mit Hilfe der Darstellung der Fig.3, wenn eine direkte Beziehung zum Schlupf des Induktionsmotors besteht Es ist aber auch möglich, die Anzeige unmittelbar in Größen der Leistung (PS) vorzunehmen. Dafür zeigt eine einfache Rechnung, wie eine lineare Instrumentenskala eine unmittelbare AbIesung in PS geben kann, wobei bildlich eine einfache Maßstabsfaktorveränderung erforderlich ist, um dann die Belastung, die Motordrehzahl, den Schlupf oder die Leistung anzuzeigen. Wenn beispielsweise kein Induk-

tionsmotor verwendet wird sondern ein Verbrennungskraftmotor, dann können die gemessenen Intervalle bei der Wellenumdrehung der Welle 126 unmittelbar in den Skalenmaßstab umgerechnet werden, so daß die Ablesung in PS erfolgt, was bei einer Anzahl von industriellen Anwendungsfällen von höherer Aussagekraft ist.

Zur Berechnung eines Maßstabsfaktors für direkte Ablesung in PS auf der Skala des Instrumentes 130 ist folgendes zu beachten:

dl2 Leistung in PS

Drehmoment · Drehzahl

Die Konstante K ist abhängig von den verwendeten Maßeinheiten und der Stelle, an der die Drehzahl gemessen wird. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Eingangsleistung zur Ausgangsleistung und bei dem oben benannten Ausführungsbeispiel etwa 60%. Auf der Abszisse der Darstellung der F i g. 3 ist der Schlupf als proportional mit der prozentualen Belastung aufgetragen. Bei einer Kläranlage mit einem Durchmesser von 15,24 m und einer durchschnittlichen Belastung von 7 Pfund pro Fuß Schlammbelastung, kann jedes Pfund pro Fuß des sich vor dem Rührarm 142 aufbauenden Schlamms direkt auf einer besonderen Skala des Instrumentes 130 abgelesen werden.

Wenn das Instrument normalerweise einen Belastungsbereich von 75 bis 125% anzeigt, ist damit 50% der gesamten Motorleistung auf der linearen Skala widergegeben. Mit einer Hunderterteilung der Skala läßt sich also bei einem V₂ PS Motor pro Skalenstrichsprung 0,005 PS anzeigen.

Wenn das Instrument in Pfund pro Fuß vor dem Rührarm 142 aufgebautem Schlamm geeicht sein soll, dann ist die Belastung am Antriebsausgang der Kläreinrichtung zu beachten. Mit einer 20 000/1-Untersetzung der Drehzahl und unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades läßt sich aussagen, daß die Skalenstellung von 100% 0,12 PS Eingangsleistung bedeutet. Bei einer Belastung von 8 Pfund pro Fuß zeigt derselbe Prozeß eine Eingangsleistung von 0,1388 PS oder 0,0188 PS pro Fuß Schlamm. Wenn dies durch Teilen umgewandelt wird, erhält man 0,0188/5 PS = 3,76% Schlammzunahme je PS am Motor, was einer 3,76 Skalenteilung gleichkommt. Es können also neu2 Skalenmarkierungen am Instrument so angebracht werden, daß die Auslesung direkt in Einheiten der beliebigen Belastungsfaktoren vorgenommen werden können oder in anderen Einheir ten, die eine direkte Aussage über den Prozeß machen, in welchen die Lastüberwachungseinrichtung eingesetzt ist.

Fig.8 zeigt ein bevorzugtes Blockdiagramm eines nach den zuvor beschriebenen Grundsätzen aufgebauten Systems, insbesondere nach den Gesichtspunkten des allgemeinen Ablaufs, wie er in Verbindung mit Fig.4 beschrieben wurde. Ein Wellendrehzahlfühler 150, z. B. ein Airpax Nr. 40004, gibt einen Ausgangsimpuls 152 von etwa 130 mV ab, der über einen Kondensator 151 auf einen Gleichspannungsverstärker und Impulsformer 153 gegeben wird, der einen gesättigten 12-V-Ausgangsimpuls 154 abgibt. Die Vorderflanke löst einen monostabilen Multivibrator 155 aus, der durch eine Einstellung 156 eingestellt ist auf eine nominale Impulsdauer t der Steuerimpulswelle 157 von 3,5 ms (entsprechend der Wellenform in Fig.2). Ein Gleichspannungsverstärker 158 hat eine Verstärkung proportional dem Schlupf, so daß der Ausgang 159 ein Instrument 160 über einen Pufferverstärker 161 zum Ausschlag bringt. Eine Nullstelleinrichtung 163 für das Instrument erlaubt es, am Instrument eine Skalenmitteleinstellung auf 100% der Last zu eichen.
Eine Integratorschaltung 166 zusammen mit einer Abstimmung 167 ermöglicht es, daß der Komparatorverstärker bei jeder anhaltenden Überlastung ein Alarmsignal 170 auslöst. Außerdem kann dadurch bewirkt werden, daß mit Hilfe eines Auskoppelverstärkers 171 das Instrument 160 abgeschaltet oder kurzgeschlossen wird. Um Fehlalarme zu vermeiden, wenn die Einrichtung zunächst eingeschaltet wird, ist ein Verzögerungsschaltkreis 172 vorgesehen für den Alarmverstärker und die Relaisschaltung 170. Mit Hilfe der Schaltung nach F i g. 8 können äußere Schaltkreise über einen geeigneten Ausgangsschaltkreis 179 gesteuert werden. Diese Schaltkreise können z. B. die Gestalt haben, wie sie in den F i g. 9 und 10 angegeben sind.

In der Schaltung der Fig.9 bilden die Widerstände 171 und 172 die Nulleinstellung für die bei niedrigen Gleichströmen auftretende Drift der Verstärker 173 und 174. Mit den Widerständen 175 bis 178 wird ein Verstärkungsfaktor von etwa 1,25 erzielt. Die Widerstände 179 und 178 dienen zur Vorspannungseinstellung für die Verstärker. Die Elemente 181 bis 185 bilden einen Entkoppelkreis, damit sichergestellt ist, daß der Übertrager in der Anfangsphase 4 bis 20 mA abgibt. Die Widerstände 186 und 187 dienen zur Mittelpunkteinstellung, von wo aus der Komparatorverstärker 182 schalten kann.

Der Kondensator 188 verhindert das Auftreten von Schwingungen, und der Widerstand 183 ist so eingestellt, daß bei einem niedrigen Eingangssignal zum Komparator 185 ein 4-mA-Ausgang vom Ausgang des Verstärkers 190 abgegeben wird; eine zweiseitige Spannungsquelle ist in der US-PS 39 06 796 beschrieben. Bei einem hohen Eingangssignal am Eingang des Komparators 185 ist die Diode 182 negativ vorgespannt, und der Ausgang des Verstärkers 174 ist frei, die zweiseitige Stromquelle 190 zu steuern.

In Fig. 10 ist ein optisch isolierender Wandler 200 zur Ansteuerung eines Steuerimpulsgenerators 201 vorgesehen, etwa eines Multivibrators, der eine Frequenz, eine Spannung oder einen Strom erzeugt in Abhängigkeit von der Drehzahl eines Antriebsmotors. Dies ermöglicht die Korrektur oder Veränderung der Geschwindigkeit oder sonstige Steuerungen oder Funktionsuntersuchungen des Drehmomentes oder der Geschwindigkeit des Antriebs.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (25)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Lastbedingungen eines Antriebs, dessen Drehzahl sich mit der Last ändert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12, 14; 150), die durch die Drehung des Antriebs (10) der Drehzahl des Antriebs entsprechend zeitlich aufeinanderfolgende Triggerimpulse (13; 152) erzeugt und einen Impulsgenerator (15; 155), der in Abhängigkeit der Triggerimpuise (13; 152) Steuerimpulse (19; 157) variabler Impulsdauer (B) erzeugt, durch die die Drehzahl des Antriebs (10) und damit der Lastzustand bestimmbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator (15; 155) eine Anzeigevorrichtung (23; 160) nachgeschaltet ist, die auf die variable Impulsdauer (b) anspricht und eine Anzeige als laufende Funktion der augenblicklichen Drehzahl des Antriebs (10) wiedergibt

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (23; 160) eine in Größen der Belastung des Antriebs geeichte Skala aufweist

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (23; 160) eine in Größen der vom Antrieb (10) abgegebenen Leistung geeichte Skala aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12, 14; 127; 150) eine Drehzahlfühleinrichtung (12; 127) ist, die bei jeder Umdrehung einen Impuls erzeugt, daß dem Antrieb (10; 125) eine über ein Reduktionsgetriebe (145) angetriebene Last (140) nachgeordnet ist und daß die Anzeigevorrichtung (23; 130) eine in Größen einer Funktion der Last am Antrieb (10; 125) geeichte Skala aufweist (Fig. 7).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator (15) eine Anzeigevorrichtung (23) und eine weitere Alarmeinrichtung nachgeschaltet sind, die auf die Breite (B) der Impulse (19) ansprechen und ein Signal abhängig von einer vorbestimmten Drehzahländerung des Antriebs erzeugen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator (15) eine Steuerschaltung (32, 35 — 37, 40) zur Betätigung einer äußeren Schaltung (44) nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (32,35-37,40) ein optisch gekoppeltes Glied (200) und eine zugehörige Generatorschaltung (201) aufweist, die ein Signal vom Impulsgenerator (15) in eine Steuerfunktion umwandeln mit einem Ausgangsparameter, der eine Funktion der Drehzahl der Antriebseinrichtung ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (32, 35-37, 40) eine Auskoppelschaltung (170) enthält, die einen variablen Stromausgangfwert erzeugt innerhalb eines vorbestimmten Strombereichs, in dem der Strom eine Funktion der Drehzahl der Antriebsvorrichtung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (10) ein Synchronmotor ist, daß die Einrichtung (12, 14) eine elektrische Fühlereinrichtung ist, die in Abhängigkeit von der Motordrehzahl Triggerimpulse (13) abgibt, deren Folgefrequenz mit der Motordrehzahl schwankt.

daß der Impulsgenerator (15) abhängig von den Triggerimpulsen (13) kalibrierte Steuerimpulse (19) mit festem Impulsabstand (r) erzeugt, wobei dieser feste Impulsabstand (r) kürzer als die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Triggerimpulsen (13) bei einer Drehzahl, die einer bestimmten Last am Motor entspricht, ist, daß die Impulsdauer (B) des Steuerimpulses (19) so variiert wird, daß sich dessen Impulsdauer (B) aus der Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinander folgenden Triggerimpulsen (13) und dem festen Impulsabstand (r) der Steuerimpulse (19) ergibt und daß dem Impulsgenerator (15) eine Anzeigevorrichtung (23) nachgeschaltet ist, die abhängig von den Steuerimpulsen (19) den Lastzustand des Induktionsmotors über einen repräsentativen Bereich von Lastwerten anzeigt

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung ein analoges Instrument (23) aufweist und zugehörige Schaltkreise (22), um Instrumentenanzeigen als Funktion der Impulsdauer der Steuerimpulse (19) zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung eine Flip-Flop-Schaltung (30) und Signalformanalysierschaltungen (32, 36, 37) enthält, durch die die Flip-Flop-Schaltung (30) in einen Alarmzustand geschaltet wird, wenn die Steuerimpulsdauer (B) angibt, daß ein vorbestinmter Lastzustand des Motors überschritten ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalformanalysierschaltungen einen Vergleichsimpulsgenerator (32) aufweisen, der aufgrund jedes Triggerimpulses einen Vergleicherimpuls (33, 34) von auswählbar variabler Dauer erzeugt, wodurch ein bestimmter Alarmgrenzwert dargestellt wird, und eine Vergleichsschaltung (36), die das Flip-Flop (30) triggert, wenn die Zeitdauer der Steuerimpulse (19) die Dauer der Vergleichsimpulse übersteigt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsschaltung (43) vorgesehen ist, die während der Motoranlaufzeit die Vergleichsschaltung (36) außer Betrieb setzt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel (37), die das Flip-Flop automatisch setzen, um den Alarmzustand zu beseitigen, wenn die Dauer der Steuerimpulse (19) kürzer wird als die Dauer der Grenzwertimpulse.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (23) eine elektronische Schaltung (22) enthält, die aus den Steuerimpulsen variabler Dauer ein Gleichspannungs-Belastungssignal bildet, das sich proportional mit den Änderungen der Steuerimpulsdauer ändert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Mittel, die wenigstens einen Gleichspannungsgrenzpegel auswählen, der ein Maß für einen bestimmten Lastzustandswert des Gleichspannungslastsignalpegels ist, und Mittel zum Vergleichen des Grenzwertpegels und des Lastsignalpegels zur Erzeugung eines auswertbaren Ausgangssignals.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Anzeigevorrichtung (23) in Abhängigkeit von der Dauer (B) der Steuerimpulse (19) den Schlupf des Synchronmotors in Einheiten des Schlupfes anzeigt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (19) von festem

Impulsabstand (r) kalibriert werden, so daß bei Motorvollast eine vorbestimmte Zeitdifferenz (T) erzeugt wird, und daß zur Motorüberlastanzeige ein Zustand ermittelt wird, bei dem die Zeitdifferenz über eine bestimmte Zeit über die vc-rbestimmte Zeitdifferenz (T) hinausgeht

20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (19) von festem Impulsabstand (r) erzeugt werden_ä um einen vorbestimmten Motorlastzustand zu erkennen, der iin Iinearen Abschnitt der Drehzahllastkun/e (20) des Motors liegt

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator (15) eine Anzeigevorrichtung nachgeschaltet ist, die eine Sichtanzeige (23) enthält

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator (15) ein elektrischer Schaltkreis nachgeschaltet ist, der ein elektrisches Kontrollsignal erzeugt

23. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (32, 35—37, 40) einen elektronischen Vergleicher (36,37) enthält, der den Abrtand (r) zwischen den Steuerimpulsen (19) mit einem Standard vergleicht und ein Differenziersignal erzeugt, dessen Dauer sich mit der Geschwindigkeit ändert, und Mittel (32), die das Differenzsignal der vorbestimmten Dauer auswählen, um das Grenzwertsignal zu erzeugen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Einrichtungen (32, 3,2A), die vorgegebene Lastwerte für die Erzeugung des Grenzwertsigiials einstellen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Einrichtungen (32,32A) mit einem Generator (36A) verbunden ist, der Alarmsignale innerhalb eines vorbestimmten Lastwertbereiches erzeugt.