DE1806276C3

DE1806276C3 -

Info

Publication number: DE1806276C3
Application number: DE19681806276
Authority: DE
Filing date: 1968-10-31
Publication date: 1977-12-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Asynchronmotors, welcher zwei voneinander getrennte Wicklungen gleicher Polzahl aufweist, die je aus einer Stromquelle mit Spannungen veränderlicher Amplitude und Phasenlage derart gespeist werden, daß sie bei Betrieb mit gleicher oder entgegengesetzter Phasenlage im Motor eine Polumschaltung im Verhältnis 1 :2 bewirken. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der DT-PS 3 24 516 bekannt.

Wegen ihres robusten Aufbaues ist man bestrebt, Asynchronmaschinen überall dort einzusetzen, wo bisher nur Gleichstrommaschinen infolge ihres günstigen Betriebsverhaltens in Frage kamen. Ein Nachteil der Asynchronmaschinen besteht jedoch darin, daß ihre Momenten-Drehzahlkennlinie bei Betrieb am starren Netz nur in einem kleinen Bereich den gewünschten Verlauf hat. Eine Drehzahlregelung ist dabei nicht möglich. Durch bekannte technische Maßnahmen, wie Sterndreieckumschaltung, Reihen-Parallel-Umschaltung und Polumschaltung einzelner Wicklungsteüe sowie Spannungssteuerung u. dgl. läßt sich das Verhalten der Asynchronmaschine etwas verbessern. Universell anwendbar ist die Asynchronmaschine jedoch erst dann, wenn sie mit rotierenden oder ruhenden frequenzvariablen Umformern gespeist wird. In dynamischer Hinsicht sind die ruhenden Umformer den rotierenden Umformern überlegen.

Bei dem obenerwähnten bekannten Verfahren (DT-PS 3 24 516) ist ein siufenweises EinsieHen üer Drehzahl eines Drehfeldmotors möglich, bei welchem der Änderung der Polzahl dienende Wicklungszweige vorgesehen sind, welche von zwei mechanisch miteinander gekuppelten separaten Wechselstromgeneratoren gespeist werden. Die Wicklungen dieses Drehfeldmotors bestehen aus zwei gleichen Wicklungszweigen, von welchen jeder Zweig von einem besonderen Generator gespeist ist. Dabei wird die Drehzahl jedoch nur in Stufen verändert, denn die Frequenz der die Drehfeldmaschine speisenden Generatoren wird nicht verändert, so daß keine stetig veränderbare Drehzahl erreichbar ist Bei einem dieser beiden Generatoren kann die Richtung des Erregerstromes durch einen Umschalter geändert werden. Bei gleichsinniger Erregung der beiden Generatoren fließen in beiden Wicklungsteilen des Motors Ströme, welche ein 16poliges Feld im Motor hervorrufen. Bei einem Umkehren der Erregung des einen Generators wird die Phasenlage der von diesem Generator induzierten Spannung um 180° gedreht, womit sich in dem Drehfeldmotor ein 8poliges Feld ergibt Die Drehzahl wird dabei also nur in Stufen verändert, denn die Frequenz der die Drehfeldmaschine speisenden Stromquelle wird nicht verändert. Bei der Umschaltung von der einen auf die andere Drehzahlstufe ergibt sich ein Drehmomenteinbruch. Wird nämlich die Erregung des einen Generators umgeschaltet, ist es notwendig abzuwarten, bis die verbleibende Remanenzspannung auf einen bestimmten Wert abgeklungen ist, bis die Erregung in umgekehrter Richtung wieder eingeschaltet werden kann. Während dieser Zeitspanne wird nur die eine Wicklung der Drehfeldmaschine von dem zweiten Generator gespeist, so daß nur ein beschränktes Drehmoment der Drehfeldmaschine zur Verfügung steht. Erfolgt die Zuschaltung der Erregung des ersten Generators in der umgekehrten Richtung, ergibt sich ein kräftiger Drehmomentstoß, durch welchen die Drehfeldmaschine in kurzer Zeit auf die höhere Drehzahl beschleunigt wird. Durch dieses bekannte Verfahren ist es möglich, die schweren Starkstromschaltapparate zu vermeiden, die sich bei einer direkten Polumschaltung der Drehfeldmaschine ergeben würden. Eine Umschaltung von der einen auf die andere Drehzahl bedeutet jedoch in jedem Fall einen starken Drehmomenteinbruch und einen anschließenden starken Drehmomentstoß.

Es ist fernerhin ein Asynchronmotor mit veränderbarer Drehzahl bekannt (DT-PS 8 56 762), welcher mehrere Wicklungen aufweist, von denen die eine mit Netzfrequenz und die andere Wicklung aus einer Stromquelle veränderlicher Frequenz gespeist wird. Die Wicklungen dieses Motors sind für gleiche oder verschiedene Polzahlen gewickelt. In jeder dieser Wicklungen ergeben sich Drehfelder verschiedener oder gleicher Winkelgeschwindigkeit, wenn beide mit gleicher Frequenz gespeist werden. Bei Speisung der Wicklungen mit Spannungen voneinander abweichender Frequenz ergibt sich ein Drehfeld mit einer Winkelgeschwindigkeit entsprechend einer zwischen den beiden Speisefrequenzen liegenden Frequenz. Bei einer solchen gleichzeitigen Einschaltung mehrerer Wicklungen ergeben sich dabei stets sehr erhebliche Verluste im Läufer, da dieser nicht mit einem der Drehfelder der speisenden Frequenzen synchron rotieren kann, so daß von diesen übrigen Drehfeldern erhebliche Spannungen im Läufer induziert werden, weiche zu entsprechend hohen Strömen und dadurch zu einer zusätzlichen Erwärmung des Läufers und damit zu vciTüSicfi 1 Ulli eil.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Asynchronmotors mit zwei voneinander getrennten Wicklungen anzugeben, bei welchem eine stufenlos« Einstellung der Drehzahl

ohne Drehmomenteneinbrüche in einem großen Bereich möglich ist, ohne daß zusätzliche Verluste entstehen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei dem eingangs erwähnten Verfahren prfindungsgemäß darin, daß als Stromquellen von einem Netz versorgte Umrichter mit veränderlicher Ausgangsfrequenz dienen und daß in einem unteren Drehzahlbereich i'ie beiden Umrichter so gesteuert werden, daß an beiden Wicklungen in Phase befindliche Spannungen gleicher Frequenz anliegen und daß ab einer bestimmten Drehzahl die beiden Umrichter so gesteuert werden, daß die Größe ihrer Spannungen und der Frequenz auf die Hälfte ihres augenblicklichen Wertes herabgesetzt und gleichzeitig der die zweite Wicklung speisende Umrichter so gesteuert wird, daß sich die an der zweiten Wicklung anliegende Spannung in Phasenopposition gegenüber der entsprechenden "on dem ersten Umrichter in die erste Wicklung eingespeisten Spannung befindet und anschließend Frequenz und Spannung so lange erhöht werden, bis die gewünschte Drehzahl erreicht ist.

Durch dieses Verfahren wird der nutzbare Drehzahlbereich der Asynchronmaschine erweitert, und die Verluste werden gering gehalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Stator einer umrichtergespeisien Asynchronmaschine im vierpoligen Betrieb,

Fig.2 den Stator einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine im zweipoligen Betrieb,

F i g. 3 die Kennlinie der Asynchronmaschine.

In den Fig. 1 und 2 ist der Stator 1 einer Asynchronmaschine mit zwei getrennten Wicklungen dargestellt, deren Wicklungsanschlüsse mit U], V], W₁ bzw. U₂, V₂, W₂ bezeichnet sind. Die Sternpunktklemmen dieser Wicklungen sind mit den Bezeichnungen X₁, y\, Z] bzw. X2, y₂, z₂ versehen. Die Wicklungsanschlüsse U], V], W] liegen an den drei Phasen eines nicht dargestellten ersten Umrichters I und die Wicklungsanschlüsse Ui, V₂, W₂ an den drei Phasen eines ebenfalls nicht dargestellten zweiten Umrichters 11.

Die Spannungen des Umrichters I sind in den F i g. 1 und 2 mit ausgezogenen und die des Umrichters II mit gestrichelten Linien unterstrichen. In der F i g. 1 sind die Spannungen der Umrichter 1 und II für den vierpoligen und in Fig.2 für den zweipoligen Betrieb der Asynchronmaschine angegeben. Die Umschaltung von der einen in die andere Betriebsart geschieht also nicht durch mechanisches Schalten, bei dem vor und nach der Umschaltung verschiedene Wicklungskombinationen an das gleiche Spannungssystem angeschlossen sind, sondern durch Veränderung der Spannungen nach Frequenz und Phasenlage in den einzelnen Wicklungen. Die Spannungsänderung kann z. B. in bekannter Weise durch eine Veränderung der Ansteuerung der Thyristoren in den Umrichtern I und II bewirkt werden.

Im zweipoligen Betrieb speist der Umrichter I die erste Wicklung der Asynchronmaschine mit den Spannungen

U_ul = U ■ sin wt,

U.., = U sin in·! H- 120").

U_wl = U sin (vvi -I- 240),

und der Umrichter II speist die zweite Wicklung mit den Spannungen

(./„, = U ■ sin vv/,

l',.₂ = U sin (vvi + 120"),

L'„,₂ = U sin (vvi + 240").

Um die Asynchronmaschine mit effektiv zwei Polen zu betreiben, werden die einzelnen Spannungen derart verändert (Fig. 2), daß für die erste Wicklung

U_ui = U · sin " i,

U_rl = U-sin(y t + 240 Y

LZ₁₁₁ - U sin C^ t + 120")

und für die zweite Wicklung

L'-, = -U sin ^V^ /,

U_r2 = -UUn

ζ ι +240 V
U_w2 = -L/sin(~ t + 120Λ

gilt. Wie man an Hand einer einfachen Rechnung zeigen kann, wird durch eine in dieser Weise vorgenommene Umsteuerung der Vierpolbetrieb einer Asynchronmaschine in einen Zweipolbetrieb umgewandelt und somit die doppelte Flußamplitude erreicht.

In F i g. 3 ist das von der Asynchronmaschine geforderte Drehmoment Meim Verhältnis zum maximal abgebbaren Moment M_max über der normierten Ständerfrequenz f/fv aufgetragen, wobei fv die Frequenz ist, die im vierpoligen Betrieb bei ungeschwächtem Motorfluß und Vollaussteuerung des Umrichters (U — U_max) auftritt. Ein derartiger Momentenverlauf ergibt sich beispielsweise bei konstanter Eingangsleistung eines Antriebes.

Das Moment M2, in der Figur als ausgezogene Kennlinie dargestellt, ist das vom Motor bei der dargestellten Umrichterausgangsspannung U2 im vierpoiigen Betrieb (p = 2) und unbegrenzter Eingangsleistung abgebbare Kippmoment. Entsprechend ist das Moment M], in der Figur als gestrichelte Kennlinie dargestellt, das vom Motor bei der Umrichterausgangsspannung U\ im zweipoligen Betrieb (p = 1) abgebbare Kippmoment. Die dabei auftretenden Ständerfrequenzen sind mit Z₂ bzw. mit /i bezeichnet.

Im unteren Drehzahlbereich ist der Spannungsverlauf über der Frequenz so aufgetragen, daß die Induktionsamplitude in beiden Betriebsarten gleich groß ist.

In F i g. 3 ist außerdem die Drehzahl, bezogen auf die Maximaldrehzahl des Motors, eingetragen. Man erkennt aus dieser Darstellung, daß das Kippmoment im vierpoiigen Betrieb bereits bei der halben fviaximaidrehzahl das geforderte Lastmoment unterschreitet. Um den Schnittpunkt des Kippmomentes der Asynchronmaschine mit dem geforderten Moment M_t nach größeren

Frequenzen hin zu erweitern, wird ?.. B. im Punkte
M_ki_Pp₂IM_m._lx = 0,5

vom vierpoligen Betrieb auf zweipoligen Betrieb umgeschaltet. Die Spannung des Umrichters springt dadurch von Ui auf den entsprechenden Wert Uu während für das Moment

gilt. Um die Drehzahl konstant zu halten, muß jedoch die Frequenz von hJU = i/2 auf

hl U · = 1^2 bzw. hifi = 1/2

springen. Das nunmehr abgebbare Kippmoment
schneidet die Kurve des geforderten Momentes erst bei der Maximaldrehzahl, so daß die Asynchronmaschine auch noch bei höheren Frequenzen das geforderte Moment abgeben kann. Die Polumschaltung wird vorzugsweise im Bereich der Feldschwächung vorgenommen, sie kann aber auch bereits im Bereich des konstanten Flusses angewendet werden. In diesem Falle ist die Amplitude aller Spannungen nach derr Umschalten auf den halben Wert einzustellen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Asynchronmotors, welcher zwei vonei; icr getrennte Wicklungen gleicher Polzahl aufv, eist, die je aus einer Stromquelle mit Spannungen veränderlicher Amplitude und Phasenlage derart gespeist werden, daß sie bei Betrieb mit gleicher oder entgegengesetzter Phasenlage im Motor eine |_O Polumschaltung im Verhältnis 1 :2 bewirken, d a durch gekennzeichnet, daß als Stromquellen von einem Netz versorgte Umrichter mit veränderlicher Ausgangsfrequenz ditnen und daß in einem unteren Drehzahlbereich die beide". Umrichter so gesteuert werden, daß an beiden Wicklungen (U, Xr, Vu Yr, W_u Zr, U₂, X₂; V₂, Y₂; W₂, Z₂) in Phase befindliche Spannungen gleicher Frequenz anliegen und daß ab einer bestimmten Drehzahl die beiden Umrichter so gesteuert werden, daß die Größe ihrer >o Spannungen und der Frequenz auf die Hälfte ihres augenblicklichen Wertes herabgesetzt und gleichzeitig der die zweite Wicklung speisende Umrichter so gesteuert wird, daß sich die an der zweiten Wicklung anliegende Spannung in Phasenopposition gegenüber der entsprechenden von dem ersten Umrichter in die erste Wicklung eingespeisten Spannung befindet und anschließend Frequenz und Spannung so lange erhöht werden, bis die gewünschte Drehzahl erreicht ist.