DE1638415C3

DE1638415C3 - Electric three-phase motor, in particular asynchronous motor, for driving a work machine that is mainly operated in a certain partial speed range

Info

Publication number: DE1638415C3
Application number: DE1967L0057523
Authority: DE
Inventors: Floris Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Koppelmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1967-09-29
Filing date: 1967-09-29
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE1638415B2; DE1638415A1

Description

windungszahl erhöht werden muß, um bei der verminderten Induktion eine bestimmte Klemmenspannung zu erreichen. Die erhöhte Statorwindungs.:ahl hat zur Folge, daß die Streuspannung des Motors sich erhöht. Die erhöhte Streuspannung des Motoi» ist für den Betrieb des Wechselrichters besonders vorteilhaft, da durch sie die Oberschwingungen des vom Wechselrichter gelieferten Stromes verringert werden. Diese Oberschwingungen rühren daher, daß die rechteckförmige Wechselrichterspannung auf eine sinusförmige Motor-EMK arbeitet, die Differenzspannungswerte haben Oberschwingungswerte zur Folge. Außerdem begrenzt die Kurzschlußreaktanz des Motors die im Augenblick der Zwangskommutierung auftretenden Überstromspitzen, wodurch ebenfalls die Ausnutzbarkeit des Wechselrichters gesteigert wird. Schließlich hat die erhöhte Kurzschlußreaktanz des Motors /ur Folge, daß unterhalb des betrachteten Teildrehzahlbereiches, in dem - wenn auch nur vorübergehend - der Wechselrichter eine durch Pulsen verminderte Spannung liefern muß, die Pulsfrequenz und damit die Verluste verringert werden.number of turns must be increased in order to reduce the number of turns Induction to achieve a certain terminal voltage. The increased stator windings: number has to As a result, the motor's stray voltage increases. The increased stray voltage of the Motoi »is essential for operation of the inverter is particularly advantageous because it reduces the harmonics of the inverter supplied current can be reduced. These harmonics are due to the rectangular Inverter voltage works on a sinusoidal motor EMF, the differential voltage values result in harmonic values. It also limits the short circuit reactance of the motor the overcurrent peaks occurring at the moment of the forced commutation, which also the usability of the inverter is increased. Ultimately, the short circuit reactance has increased of the engine / ur consequence that below the considered Partial speed range in which - even if only temporarily - the inverter pulsed must supply reduced voltage, the pulse frequency and thus the losses are reduced.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.A schematic exemplary embodiment of the invention will be explained with the aid of a drawing.

Fig. 1 zeigt zunächst die Schaltung eines zwangskommutierten Wechselrichters, der aus eine^ konstanten Gleichspannung U_d gespeist wird und auf einen Asynchronmotor M arbeitet. Der Wechselrichter hat sechs zwangsgelöschte Ventile 1 bis 6 und sechs für die Führung des Blindstromes erforderliche Blindstromdioden 7bis 12. Die zwangskommutierten Ventile sind schematisch durch zwei Steueranschlüsse gekennzeichnet. Die speisende Gleichspannung des Wechselrichters ist durch einen Pufferkondensator C überbrückt. In der Steuerung St wird in bekannter Weise die Drehzahl n^ mit dem Sollwert der Drehzahl 'Ίο// verglichen, und daraus werden die Zündinipulse und die Löschimpulse der steuerbaren Ventile abgeleitet. 1 shows the circuit of a positively commutated inverter, which _is fed from a constant DC voltage U d and operates on an asynchronous motor M. The inverter has six valves 1 to 6 that have been automatically deleted and six reactive current diodes 7 to 12 that are required for guiding the reactive current. The forcibly commutated valves are shown schematically by two control connections. The feeding DC voltage of the inverter is bridged by a buffer capacitor C. In the controller St , the speed n ^ is compared in a known manner with the nominal value of the speed 'Ίο //, and the ignition pulses and the extinguishing pulses of the controllable valves are derived therefrom.

Fig. 2 zeigt den Anstieg des Magnetisierungsstromes Ιμ des Motors mit der magnetischen Induktion B. Bei großen Werten der Induktion B steigt dieser Strom bekanntlich überproportional an.Fig. 2 shows the increase in the magnetizing current Ιμ of the motor with the magnetic induction B. With high values of the induction B , this current increases disproportionately, as is known.

Die Fig. 3 zeigt zunächst aufgetragen über der Drehzahl η den von der Arbeitsmaschine geforderten Wirkstrom l_Hirk. Ausgehend von dieser Kurve werden die Verhältnisse bei zwei Drehstrommotorer, in einem Teildrehzahlbereich Ι,Γ-2,2' untersucht, wobei sich diese Motoren hinsichtlich ihrer magnetischen Sättigungsgrade in diesem Bereich unterscheiden. Als Ergebnis aus dieser Fig. 3 läßt sich dann erkennen, daß sich innerhalb dieses Teildrehzahlbereiches der Betrag der geometrischen Summe aus Wirkstrom und Magnetisierungsstrom für die beiden Maschinen unterschiedlich aufweist. Für die erfindungsgemäße Maschine, die bei Nenndrehzahl mit nur verminderter Sättigung arbeitet, verringert sich der Betrag der geometrischen Summe des Wirk- und Magnetisierungsstromes l_{wirk vr} + Ι_μ ,..y, ausgehend von einer Drehzahl Γ zu einer kleineren Drehzahl 2'. Davon abweichend ist zu erkennen, daß sich der Betrag der geometrischen Summe aus Wirk- und Magnetisierungsstrom l_wlrkl.2 + Ι_μί_2 bei einer üblichen Maschine, die also nur auf sich bezogen wirtschaftlich ausgelegt bei Nenndrehzahl mit hoher Sättigung arbeitet, erhöht, wenn sie von einer Drehzahl 1 auf eine kleinere Drehzahl 2 abgebremst wird. 3 shows the active current I _Hirk required by the machine, plotted against the speed η . Based on this curve, the conditions for two three-phase motors are examined in a partial speed range Ι, Γ-2.2 ', these motors differing in terms of their degree of magnetic saturation in this range. As a result of this FIG. 3 it can then be seen that within this partial speed range the amount of the geometric sum of the active current and magnetizing current is different for the two machines. _{For the machine according to} the invention, which operates at the nominal speed with only reduced saturation, the amount of the geometric sum of the active and magnetizing current I act vr + Ι _μ , .. y, starting from a speed Γ to a lower speed 2 '. Deviating from this, it can be seen that the amount of the geometric sum of the active and magnetizing _current l wlrkl .2 + Ι _μί _2 increases in a conventional machine, which is only economically designed in relation to itself and works with high saturation at nominal speed when it is decelerated from a speed 1 to a lower speed 2.

Zur Darstellung der obigen Aussage wurde dabei nach Art folgender Hilfskonstruktionen verfahren. Bei der Drehzahl im Punkt 2 bzw. 2' wurden zu dem Wirkstrom Ι_λιΛ1 dazu senkrecht die Magnetisierungsströme I₁₁₂. bzw. Ι_μ2 in ihrer Größe der Fig. 2 entsprechend abgetragen. Die geometrische Summe führt dann in einem Fall zu dem VektorTo represent the above statement, the following auxiliary constructions were used. At the speed at point 2 or 2 ', the magnetizing _currents I ₁₁₂ were perpendicular to the active current Ι λιΛ1. or Ι _μ2 in their size corresponding to FIG. 2. In one case, the geometric sum then leads to the vector

•5 Α..·,*: + Lx ^DZW- dem Vektor /^₂ + /,,,im anderen Fall. Überträgt man diese Größen auf die Verhältnisse des Drehzahlpunktes 2 bzw. 2'. erhält man die Endpunkte der oben als Ergebnis erläuterten Verlaufskurven bei den Maschinen für diese Drehzahl. • 5 Α .. ·, *: + Lx ^DZW - the vector / ^ ₂ + / ,,, in the other case. If these variables are transferred to the ratios of the speed point 2 or 2 '. one obtains the end points of the course curves explained above as a result for the machines for this speed.

Eine gleichartige Hilfskonstruktion im Drehzahlpunkt 1, Γ ergibt deren Anfangswerte.A similar auxiliary construction at speed point 1, Γ gives its initial values.

Inder Fig. 3 ist ferner noch im Teildrehzahlbereich Ι,Γ-1,2' der Verlauf des Betrages der Magnetisierungsströme /_μ1., und /_μΓ2 strichpunktiert eingetragen. In Fig. 3, the course of the magnitude of the magnetizing _currents / μ1. And / μΓ2 is also entered in _{dash-dotted lines in the partial speed range Ι, Γ-1,2 '.}

Ausgehend von dem in der Fig. 3 erkennbaren Ergebnis der erfinderischen Auslegung einer Maschine folgert nun weiter für den sie speisenden zwangskommutierten Wechselrichter eine kleinere erforderliche Typenleistung. Dies führt zu einer wirtschaftlich günstigeren Gesamtanordnung.Based on the result of the inventive design of a machine which can be seen in FIG. 3 now further deduces a smaller requirement for the force-commutated inverter feeding it Type performance. This leads to an economically more favorable overall arrangement.

Die Erfindung ist beispielsweise von Vorteil angewendet bei Pumpen, die mit regelbarer, insbesondere schnellregelbarer Leistung, d.h. schnell regelbarer Drehzahl arbeiten müssen und bei denen der Teildrehzahlbereich, beispielsweise von Nenndrehzahl bis 70% der Nenndrehzahl erreicht. 70% Nenndrehzahl entspricht bei quadratischer Drehmomentkennlinie etwa an der unteren Grenze des Drehzahlbereiches einen Wirkstrom von (),7^: = 0,49 des Nennstromes und damit des Nennmomentes. Die Leistung ist an dieser unteren Grenze des Drehzahlbereiches 0,7' = 0,34 der Nennleistung. In manchen praktischen Fällen arbeiten Pumpen oder Gebläse oder Schiffsschrauben überwiegend nur in einem derartigen Leistungsbereich, so daß die Erfindung sich besonders auf diesem Gebiet mit Nutzen anwenden läßt. Durch Absenkung der magnetischen Induktion im Nennpunkt auf beispielsweise 70% des üblichen Wertes, steigt der Aufwand für einen Asynchronmotor schätzungsweise um 30%. Andererseits wird dadurch jedoch, wie im vorstehenden im einzelnen beschrieben wurde, die Arbeitsweise des Wechselrichters so stark erleichtert, daß der Aufwandgewinn am Wechselrichter die Aufwandzunahme des Motors mehr als ausgleicht. Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich mit Vorteil nicht nur bei Asynchronmotoren, sondern auch bei Synchronmotoren mit erregtem Rotor oder bei Reluktanzmotoren anwenden.The invention is used to advantage, for example, in pumps that have to work with controllable, in particular rapidly controllable, power, ie rapidly controllable speed, and in which the partial speed range, for example, reaches from the nominal speed to 70% of the nominal speed. With a quadratic torque characteristic, 70% of the nominal speed corresponds to an active current of (), 7 ^: = 0.49 of the nominal current and thus the nominal torque at approximately the lower limit of the speed range. The power at this lower limit of the speed range is 0.7 '= 0.34 of the nominal power. In some practical cases, pumps or blowers or propellers work predominantly only in such a power range, so that the invention can be used with particular benefit in this field. By reducing the magnetic induction at the nominal point to, for example, 70% of the usual value, the cost of an asynchronous motor increases by an estimated 30%. On the other hand, however, as has been described in detail above, the operation of the inverter is so greatly facilitated that the gain in expenditure on the inverter more than compensates for the increase in expenditure on the motor. The basic idea of the invention can be used with advantage not only in asynchronous motors but also in synchronous motors with an excited rotor or in reluctance motors.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patentanspruch:Claim:

Elektrischer Drehstommotor, insbesondere Asynchronmotor, zum Antrieb einer überwiegend in einem bestimmten Teildrehzahlbereich betriebenen Arbeitsmaschine, die ein mit der Drehzahl stärker als linear abfallendes Drehmoment erfordert, welcher Drehstrommotor von einem zwangskommutierten Wechselrichter mit veränderlicher Frequenz und Spannung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei im Teildrehzahlhereich konstant gehaltener Spannung des Wechselrichters der Motor für den Nennpunkt durch Wahl eines kleinen Luftspaltes und einer kleinen Luftspaltinduktion mit einem derart kleinen Magnetisierungsstrom ausgelegt ist, daß im ganzen überwiegend in Frage kommenden Teildrehzahlbereich der Motorstrom einschließlich Leerlaufstrom nicht größer wird als der im Nennpunkt. Electric three-phase motor, in particular asynchronous motor, for driving a predominantly Working machine operated in a certain partial speed range, which one with the speed higher than linearly decreasing torque, which three-phase motor of a Forcibly commutated inverter is fed with variable frequency and voltage, thereby characterized in that the voltage of the kept constant in the partial speed range Inverter the motor for the nominal point by choosing a small air gap and one small air gap induction is designed with such a small magnetizing current that im whole predominantly relevant partial speed range including the motor current No-load current is not greater than that at the nominal point.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Drehstrommotor, insbesondere Asynchronmotor, zum Antrieb einer überwiegend in einem bestimmten Teildrehzahlbereich betriebenen Arbeitsmaschine, die ein mit der Drehzahl stärker als linear abfallendes Drehmoment erfordert, welcher Drehstrommotor von ein«. ' zwangskommutierten Wechselrichter mit veränderlicher Frequenz und Spannung gespeist ist. Ein derartiger Drehstrommotor ist aus der deutschen Patentschrift 1 238989 bekannt.The invention relates to an electric three-phase motor, in particular an asynchronous motor, to drive a machine that is mainly operated in a certain partial speed range, which requires a torque that decreases more than linearly with the speed, which three-phase motor of a". 'Forced commutated inverter with variable Frequency and voltage is fed. Such a three-phase motor is from the German patent 1 238989 known.

Mit der Entwicklung leistungsstarker steuerbarer Halbleiterventile ergab sich die Möglichkeit ihres Einsatzes auf dem Gebiet der zwangskommutierten Wechselrichter. In dieser Folge zeichnet sich eine vergrößerte Einsatzbreite für Asynchronmotoren ab, und zwar lassen sich wechsclrichtergespeiste Asynchronmotore durch Veränderung der vom Wechselrichter erzeugten Frequenz mit veränderlicher Drehzahl betreiben. With the development of powerful controllable semiconductor valves, the possibility of theirs arose Used in the field of forced commutated inverters. In this episode there is an enlarged Application range for asynchronous motors, namely inverter-fed asynchronous motors operate at a variable speed by changing the frequency generated by the inverter.

Wenn der magnetische Fluß im Asynchronmotor bei veränderlicher Drehzahl zur guten Ausnutzung des Motors konstant gehalten werden soll, muß sich die Spannung am Motor angenähert proportional mit der Drehzahl ändern. Der Wechselrichter muß dann also eine mit der Frequenz angenäherte proportional veränderliche Spannung liefern. Dazu sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Entweder kann man die den Wechselrichter speisende Gleichspannung bei abnehmender Frequenz angenähert proportional absenken, beispielsweise durch einen Gleichrichter mit Gittersteuerung (Elektrical Engineering v. März 1962, Seite 183, Fig. 8). Man kann auch mit konstanter Gleichspannung arbeiten und die am Motor wirksame Spannung bei abnehmender Frequenz dadurch vermindern, daß der Wechselrichter nach vorgeschlagener Weise im Pulsbetrieh betrieben wird (deutsche Offenlegungsschrift 141353ft). Dieses letztgenannte Verfahren hat den Vorteil, daß die zur /wangslöschung erforderliche Spannung der Loschungskondcnsatorcn bei jeder Frequenz in ausreichendem Maße /ur Verfugung steht. Außerdem erfordert es nur eine konstante Gleichspannung, wie sieWhen the magnetic flux in the asynchronous motor with variable speed for good utilization of the motor is to be kept constant, the voltage on the motor must be approximately proportional to change the speed. The inverter must then be proportional to the frequency approximated supply variable voltage. Various methods have become known for this purpose. Either can the DC voltage feeding the inverter is approximately proportional as the frequency decreases lower, for example by means of a rectifier with grid control (electrical engineering v. March 1962, page 183, Fig. 8). You can also work with constant DC voltage and that on the motor Reduce the effective voltage with decreasing frequency by turning the inverter after as proposed is operated in pulse mode (German Offenlegungsschrift 141353ft). This The latter method has the advantage that the voltage of the extinguishing capacitors required for forced extinction Sufficiently available at each frequency. Also requires it's just a constant DC voltage like her

von einem Akkumulator oder einem ungestcuerten Gleichrichter auf einfachste Weise zur Verfugung gestellt wird.made available in the simplest possible way by an accumulator or an uncontrolled rectifier will.

Der Pulsbetrieb des Wechselrichters bedeutet, daß die llalhleiterventile mit wesentlich höherer Schalt frequenz arbeiten als es der normalen Arbeitsfrequenz entspricht und daß sie daher höher beansprucht werden. Das gleiche gilt für die Löschkondensatoren und andere Einzelteile des Wechselrichters.The pulse operation of the inverter means that the IIalhleiterventile with much higher switching working frequency than it's normal working frequency and that they are therefore subject to higher demands. The same applies to the quenching capacitors and other components of the inverter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese zusätzliche Beanspruchung zu vermeiden und die Ausnutzbarkeit des Wechselrichters zu steigern unter Beibehaltung der Vorteile der Wechselrichterspcisung durch eine konstante Gleichspannung. Wenn mit abnehmender Frequenz die Spannung am Motor konstant bleibt, so steigt der Fluß im Motor umgekehrt proportional mit de.- Frequenz an. Damit ist eine starke Zunahme des Magnetisierungsstromes verbunden. Um diese Zunahme in erträglichen Grenzen zu halten, muß die magnetische Induktion im Motor im Nennpunkt gegenüber den normal üblichen Werten abgesenkt werden, da dann sowohl die Absolutgröße des Magnetisierungsstromes als auch seine Zunahme mit abnehmender Frequenz geringer werden.The invention is based on the object of avoiding this additional stress and the To increase the usability of the inverter while maintaining the advantages of the inverter pricing by a constant DC voltage. If with decreasing frequency the voltage at the motor is constant remains, the flux in the motor increases inversely proportional to the frequency. That’s a strong increase in magnetization current. To this increase within tolerable limits hold, the magnetic induction in the motor at the nominal point must be compared to the normal values be reduced, since then both the absolute magnitude of the magnetizing current and its increase decrease with decreasing frequency.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wird die gestellte Aufgabe bei einem Drehstrommotor der eingangs genannten Art durch die Erfindung dadurch gelöst, daß bei im Teildrehzahlbereich konstant gehaltener Spannung des Wechselrichters der Motor für den Nennpunkt durch Wahl eines kleinen Luftspaltes und einer kleinen Luftspaltinduktion mit einem derart kleinen Magnetisierungsstrom ausgelegt ist, daß im ganzen überwiegend in Frage kommenden Teildrehzahlbereich der Motorstrom einschließlich Leerlaufstrom nicht größer wird als der im Nennpunkt.On the basis of this knowledge, the task at hand for a three-phase motor becomes the one mentioned at the beginning Kind solved by the invention in that with the voltage kept constant in the partial speed range of the inverter, the motor for the nominal point by choosing a small air gap and a small air gap induction is designed with such a small magnetizing current that on the whole predominantly possible partial speed range of the motor current including no-load current does not become larger than the one at the nominal point.

Praktisch bedeutet dies, daß der Motor im Nennpunkt mit verminderter magnetischer Induktion betrieben wird und daß diese Induktion bei Verminderung der Drehzahl ansteigt, beispielsweise bis auf den bei herkömmlichen Motoren üblichen Wert oder sogar darüber hinaus.In practice this means that the motor is operated at the nominal point with reduced magnetic induction and that this induction increases when the speed is reduced, for example up to the normal value for conventional engines or even more.

Kleine Teildrehzahlbereiche kommen in der Praxis vor allen Dingen vor bei Arbeitsmaschinen, deren Drehmoment mit der Drehzahl stärker als linear abfällt, wie Antrieb von Pumpen, Gebläsen, Schiffsschrauben u.dgl. In vielen Fällen arbeiten derartige Antriebe mit einem Teildrehzahlbereich, der nur etwa 30% des gesamten Bereiches beträgt. Lediglich in Ausnahmefällen, beispielsweise beim Anfahren oder beim Stillsitzen wird der Teildrehzahlbereich unterschritten. In practice, small partial speed ranges occur above all in working machines, whose Torque decreases more than linearly with speed, such as driving pumps, fans, propellers In many cases such drives work with a partial speed range that is only approximately 30% of the total area. Only in exceptional cases, for example when starting or when sitting still, the partial speed range is undershot.

Die nach der Erfindung notwendige Auslegung des Motors mit verhältnismäßig kleiner Induktion im Nennpunkt hat eine Vergrößerung der Motortypenleistung zur Folge. Dieser Mehraufwand beim Motor kann jedoch in vielen Fällen in Kauf genommen werden, weil sich durch die Anwendung des Erfindungsgedankens die Ausnutzung des Wechselrichters erhöht und weil der Kostenanteil des Wechselrichters am Gesamtantrieb größer ist als der des Motors. Die bessere Ausnutzung des Wechselrichters beruht darauf, daß er im normalen Teildrehzahlbereich nicht im Pulsbetrieb arbeitet und daß daher die Erwärmung der Halbleiterzellen und der übrigen Bauelemente kleiner wird, so daß die Nennleistung gesteigert werden kann, llin/u kommt jedoch noch ein zweiter Vorteil: Beider Auslegungeines Motors mit verminderter magnetischer Induktion ergibt sich, daß die Stator-The design of the motor required according to the invention with a relatively small induction in Nominal point results in an increase in the type of motor output. This extra effort in the engine However, in many cases this can be accepted because the use of the inventive concept increases the utilization of the inverter and because the cost of the inverter in the overall drive is greater than that of the motor. the Better utilization of the inverter is based on the fact that it is not in the normal partial speed range Pulse operation works and that therefore the heating of the semiconductor cells and the other components becomes smaller, so that the nominal power can be increased, but there is a second advantage llin / u: When designing a motor with reduced magnetic induction, it follows that the stator