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Die Erfindung geht aus von einer Stromrichterkaskade zur verlustarmen
Drehzahlregelung oder -steuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Schleifringläufer,
deren Schlupfleistung gleichgerichtet und über im Wechselrichterbetrieb arbeitende
Stromrichter ins Netz gespeist wird, als Antrieb für Maschinen, deren Drehmoment
mit zunehmender Drehzahl steigt.
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Derartige bekannte Stromrichterkaskaden - auch als »untersynchrone
Stromrichterkaskadena bezeichnet - werden beispielsweise zur Drehzahlregelung von
Schleifringläufermotoren verwendet, die als Antriebe für Maschinen großer Leistung
mit etwa quadratisch verlaufendem Drehmoment, z. B. Pumpen und Lüfter, eingesetzt
werden. Auf der Sekundärseite der Schleifringläufermotoren ist bei niedriger Drehzahl
die Spannung hoch und der Strom niedrig, bei hoher Drehzahl dagegen die Spannung
niedrig und der Strom hoch. Infolgedessen müssen die Stromrichter, der Stromrichtertransformator
und die Drossel für die höchste Spannung und für den höchsten Strom bemessen sein.
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Für den Fall, daß man die Gleichspannung im Gleichstrom-Zwischenkreis
mit Hilfe des Wechselrichters so beeinflußt, daß die Schlupfleistung in das Netz
zurückgespeist wird, erhält man bei hohen Drehzahlen eine verhältnismäßig große
zusätzliche Blindleistung auf der Drehstromseite. Dies läßt sich bei einer anderen
bekannten Einrichtung dadurch vermeiden, daß man den Wechselrichter ständig voll
aussteuert und mit Hilfe einer zusätzlichen Drossel und einem abschaltbaren Thyristor
bzw. einem Thyristor mit entsprechender Löscheinrichtung den vom Gleichrichter abgegebenen
Gleichstrom periodisch über die Drossel und den Thyristor kurzschließt oder an den
Wechselrichter schaltet. Bei einer derartigen Anordnung erhält der Wechselrichter
einen von einer impulsförmigen Spannung getriebenen Gleichstrom, der mit zunehmender
Drehzahl immer geringer wird, bis er bei synchroner Drehzahl den Wert Null erreicht.
Diese Schaltung besitzt damit den Vorteil, daß wenig Blindleistung benötigt wird,
da diese nur von dem jeweils gewählten Steuerwinkel und der übertragenen Wirkleistung
abhängt. Andererseits muß bei einer derartigen Einrichtung nicht nur der Gleich-
und Wechselrichter, sondern auch der aus Thyristor und Drossel bestehende Gleichstromtransformator
(Gleichstrom-Pulswandler) für die volle Leistung der Einrichtung bemessen werden,
was schon gegenüber der zuerst beschriebenen bekannten Stromrichterkaskade einen
wesentlichen Mehraufwand erfordert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand für eine untersynchrone
Stromrichterkaskade mit Gleich- und Wechselrichter zu vermindern und eine bessere
Ausnutzung der Bauelemente zu erreichen. Hierzu werden bekannte Schleifringläufer
mit zwei über zwei Schleifringsätze parallel oder in Reihe schaltbare Läuferwicklungen
verwendet. Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Stromrichterkaskade zur verlustarmen
Drehzahlregelung oder -steuerung von Drehstrom-Asynchronmotorenunter Verwendung
eines Schleifringläufers mit zwei Läuferwicklungen, zwei Sätzen Schleifringe und
einer Umschalteinrichtung, die die Parallel- und Reihenschaltung beider Läuferspannungen
gestattet. Die vorstehend genannte Aufgabe ist bei einer derartigen Stromrichterkaskade
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schleifringbürsten mit den Wechselstromkontakten
von ungesteuerten Gleichrichterbrückenschaltungen verbunden sind und daß die Gleichstromanschlüsse
der Gleichrichterbrückenschaltungen unterbrechungslos wechselweise parallel oder
in Reihe an die Gleichstromanschlüsse der Wechselrichterschaltung der Stromrichterkaskade
anschließbar sind.
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Gemäß einer weiteren, in einem Unteranspruch geschützten Ausgestaltung
sind die den beiden Sekundärwicklungen zugeordneten Gleichrichterbrückenschaltungen
nach Art einer Graetzschaltung in zwei einander gegenüberliegenden Zweigen angeordnet,
die beiden anderen Zweige durch Sperrdioden gebildet und in der einen Diagonalen
ein in Abhängigkeit von der Drehzahl betätigter Schalter vorgesehen, während in
der anderen Diagonale die Gleichstromanschlüsse der Wechselrichterschaltung angeschlossen
sind.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
einer Stromrichterkaskade in Verbindung mit einem Schleifringläufermotor mit zwei
galvanisch getrennten Wicklungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
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In F i g. 1 ist der Ständer eines Drehstromschleifringläufermotors
1 über einen Hauptschalter 2 an ein Drehstromnetz anschließbar. Der Schleifringläufermotor
ist mit zwei Sekundärwicklungen ausgeführt, deren Anschlußenden mit u1, v1, w1 bzw.
u2, va und w2 bezeichnet sind. Die Sekundärwicklungen sind über gemeinsam zu betätigende
Schalter 3, 4 an ein Anlaßgerät 5 angeschlossen und parallel dazu über je einen
Schalter 6, 7 mit einer aus Gleichrichtern gebildeten Stromrichterbrücke 8 bzw.
9 verbunden. Die positiven und die negativen Ausgänge der Stromrichterbrücken sind
jeweils über eine Sperrdiode 10, 11 miteinander und der positive Ausgang der Stromrichterbrücke
8 über einen Schalter 12 mit dem negativen Ausgang der Stromrichterbrücke 9 verbunden.
An den positiven Ausgang der Stromrichterbrücke 9 und den negativen Ausgang der
Stromrichterbrücke 8 ist über eine Drossel 13 ein normalerweise im Wechselrichterbetrieb
arbeitender, beispielsweise Thyristoren enthaltender Wechselrichter 14 -angeschlossen,
dem ein Transformator 15 nachgeschaltet ist.
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In F i g. 2 ist für einen Drehzahlregelbereich von 60 bis 10011/,
der Verlauf der Läuferspannung U, - s
eines angenommenen lastabhängigen Stromes
Id und der Verlauf der Blindleistung Ps aufgetragen, wie sie bei einer bekannten
untersynchronen Stromrichterkaskade auftreten würden, wenn zur Drehzahlregelung
die Wechselrichteraussteuerung verändert wird.
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Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung sei zunächst angenommen,
daß die Sekundärwicklungen des Schleifringläufermotors 1 für gleiche Strombelastbarkeit
und gleiche Läuferstillstandsspannung bemessen sind. Über das Anlaßgerät 5 wird
der Motor auf die unterste Drehzahl des Drehzahlstellbereichs hochgefahren. Nachdem
diese Drehzahl erreicht ist, werden die beiden Schalter 6 und 7 gleichzeitig geschlossen.
Die den Sekundärwicklungen zugeordneten Stromrichterbrücken sind parallel geschaltet,
da der Schalter 12 geöffnet ist. Am Stromrichter 14 liegt eine Gegenspannung entsprechend
der Läuferspannung Uol * s = Uoz - s, wobei Uol die Stillstandsspannung der
Sekundärwicklung ulvlw" und Uo, die Stillstandsspannung der Sekundärwicklung u,v,w,
ist, und es fließt ein Strom entsprechend der Summe der beiden Ströme in den Sekundärwicklungen.
Überschreitet die
Drehzahl des Schleifringläufermotors die mittlere
Drehzahl des Drehzahlstellbereiches, wird der Schalter 12 geschlossen, so daß die
Stromrichterbrücken 8, 9 nun in Reihe geschaltet sind. Am Stromrichter
14 liegt dann eine Spannung entsprechend (Um + U02) ' S = Uoi
' Srn = Uos ' S-- darin ist S",, = maximaler Schlupf bei unterster
Drehzahl des Stellbereiches -, und es fließt ein Strom entsprechend dem die Sekundärwicklungen
durchfließenden Strom log = 102. Den sich hierbei ergebenden Verlauf der Läuferspannung,
des Stromes Id im Gleichstromzwischenkreis und der Blindleistung PB in Abhängigkeit
von der Drehzahl im Bereich von 60 bis 100 °/o der Drehzahl zeigt die F i g. 3.
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Sind die sekundären Wicklungen für gleiche Strombelastung, aber für
verschiedene Läuferstillstandsspannungen, bemessen, z. B. Uol < Uoz, wodurch
eine Anpassung an die Belastungskennlinie möglich ist, wird nach dem Anlassen des
Motors über das Anlaßgerät und nach dem Hochläufen auf die unterste Drehzahl des
Drehzahlstellbereiches zuerst der Schalter 7 geschlossen. Wenn die Drehzahl des
Motors einen Wert überschreitet, bei dem U02 . S = U01.
sm
ist, wird zusätzlich der Schalter 6 geschlossen. Die Spannung U.2,
die größer als die Spannung U" ist, liegt über die Stromrichterbrücke 8 als Gegenspannung
an der Stromrichterbrücke 9 an und bringt den Strom in der Sekundärwicklung ulv,w,
zum Erlöschen. Überschreitet die Drehzahl den der Spannung (U0, -I-' U02)
' S = Uoi - Sm entsprechenden Wert, wird der Schalter 12 geschlossen
und damit wieder eine Reihenschaltung der Stromrichterbrücken 8, 9 erreicht.
Bei dieser Bemessung der Sekundärwicklungen ergibt sich der in F i g. 4 schematisch
dargestellte Verlauf von Spannung, Strom Ia im Gleichstromzwischenkreis und Blindleistung
PB. Wie die F i g. 3 und 4 zeigen, wird in beiden Fällen die bei hohen Drehzahlen
niedrige Spannung erhöht und der Strom um den gleichen Faktor herabgesetzt. Transformator,
Stromrichter und Drossel werden also über den gesamten Drehzahlregelbereich besser
ausgenutzt und der Aufwand an Stromrichterelementen sowie die erforderliche Transformator-
und Drosselleistung herabgesetzt. Bei der maximalen Drehzahl sinkt die Blindleistung
im Vergleich zu den in F i g. 2 schematisch dargestellten Werten der bisher üblichen
Schaltung auf den halben Wert, wenn die Sekundärwicklungen gleichbemessen sind,
und noch unter diesen Wert, wenn die Sekundärwicklungen unterschiedlich bemessen
sind.