DE2460639B2 - Drehzahlsteuerbarer drehstromantrieb - Google Patents

Description

gleiches Drehmoment abgeben. Man erhält damit eine gleichmäßige Lastaufteilung auf die Einzelmotoren, die sich auch bei unterschiedlichen Motordrehzahlen ohne zusätzliche Regelung ergibt

Im folgenden wird der erfindungsgeuäße Drehstromantrieb beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert

Fig. 1 zeip!t das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Drehstromantriebs. Dieser Diehstroraantrieb kann vorzugsweise als Pumpen- und Lüfterantrieb eigesetzt werden. Zwei Asynchronmotoren 1 und 2 sind über Schalter 3 und 4 an die Phasen R. S und T eines Drehstromnetzes angeschlossen. Die Asynchronmotoren t und 2 sind über eine Welle 5 mechanisch miteinander gekuppelt In Abweichung zum Ausführungsbeispiel können die Motoren 1 und 2 auch über ein gemeinsames Getriebe, z.B. einen Zahnkranz der Arbeitsmaschine oder über eine Fahrbahn fest oder mit variablem Drehzahlverhältnis miteipinder gekuppelt sein. Bei Antrieben mit nicht konstantem Drehmomentverlauf kann die mechanische Kopplung vollständig unterbleiben und die Motoren können zum getrennten Betrieb von zwei Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Mit dem Schleifringläufer des Asynchronmotors 1 sind die Drehstromklemmen 6 eines ungesteuerten deichrichters 7 und mit dem Schleifringläufer des Asynchronmotors 2 sind die Drehstromklemmen 8 eine«, ungesteuerten Gleichrichters 9 verbunden. Die Gleich richter 7 und 9 sind mit jeweils sechs Dioden Ta bzw. 9a bis 9/ in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Die beiden Gleichrichter 7 und 9 sind unmittelbar in Reihe geschaltet, d. h. sie sind über ihre Gleichstromklemmen miteinander verbunden.

Die beiden ungesteuerten Gleichrichter 7 und 9 sind mit zwei Wechselrichtern M) und 11 und zwei weiteren. ungesteuerten Gleichrichtern 12 und 13 in einer Ringschaltung 30 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind als netzgeführte, gesteuerte Wechselrichter 10 und U Drehstrombruckenschaltungen mit Thyristoren 10a bis 10/" und 11a bis Uf vorgesehen. Die beiden ungesteuerten Gleichrichter 12 und 13 sind mit Dioden 12a bis 12/und 13a bis 13/in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Auch diese beiden Gleichrichter 12 und 13 sind in der Ringschaltung 30 unmittelbar in Reihe geschaltet, d. h. an ihren Gleichstromklemmen miteinander verbunden. In der Ringschaltung 30 -ind die in Reihe geschalteten Gleichrichter 7 und 9 bzw. 12 und 13 und die Wechselrichter 10 und 11 so angeordnet, daß ein Wechselrichter auf zwei in Reihe geschaltete Gleichrichter folgt und die Wechsel- und Gleichrichter sind an ihren Gleichstromklemmen miteinander verbunden. In die Ringschaltung 30 sind zur Glättung aes Gleichstromes zwei Drosseln 14 und 15 so eingefügt, daß die Drosseln entweder an der Anodenseite A oder an der Kathodenseite K der Wechselrichter 10 und 11 liegen. Die Drosseln 14 und 15 können auch zwischen die Gleichrichter 7 und 9 bzw. 12 und 13 geschaltet sein.

Die Drehstromklemmen 16 des Wechselrichters U und die Drehstromklemmen 17 des Wechselrichters 10 sind getrennt einem Drehstromtransformator 18 zügeführt, der über einen Schalter 19 mit dem speisenden Drehstromnetz verbunden ist.

Über einen Schalter 20 sind die Drehstromklemmen 21 des Gleichrichters i?. an die Drehstromklemmen 8 des Gleichrichters 9 und die Drehstromklemmen 22 des Gleichrichters 13 an die Drehstromklemmen 6 des Gleichrichters 7 anzuschließen. Damit sind die Drehstromanschlüsse 6,8,21 und 22 der Gleichrichter 7,9,12 und 13 kreuzweise miteinander fiber den Schalter 20 zu verbinden oder es sind mit anderen Worten die Drehstromanschlüsse von jeweils zwei Gleichrichtern über den Schalter 20 miteinander verknüpft, die entweder an der Anodenseite A oder der Kathoden seile K der Wechselrichter 10 und 11 liegen.

Ist der Schalter 20 geöffnet, so wirkt die Ringschaltung 30 als Umrichter mit Zwischenkreis mit eingeprägtem Strom, in dem neben den Gleichrichtern 7 und 9 auch die Wechselrichter 10 und 11 über die spannungslosen Gleichrichter 12 und 13 in Reihe liegen. Wird der Schalter 20 geschlossen, so erhält man ein Schaltbild, wie es in F i g. 2 gezeigt ist Es sind nun zwei Umrichter 23 und 24 mit Gleichstromzwischenkreis parallel geschaltet, wobei der Schleifringläufer jedes Asynchronmotors 1 und 2 über jeweils einen Gleichrichter mit jedem der Umrichter 23 und 24 verbunden ist Dabei wurden infolge der Parallelschaltung von den Dioden 7a bis 7c und 13a bis 13c eine neue Gleichrichterbrückenschaltung für den Schleifringläufer des Asynchronmotors 1 und von den Dioden 7dbis 7/und 13c/bis 13/eine neue Gleichrichterbrückenschaltung für den Schleifringläufer des Asynchronmotors 2 gebildet

Die Thyristoren der Wechselrichter 10 und 11 erhalten ihre Zündimpulse von einer Steuereinrichtung, wie sie für steuerbare Stromrichter üblich ist und wie sie beispielsweise aus der Literaturstelle von G. M ö 11 gen »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren«, Siemens AG, 1967, S. 275 und 280, bekannt ist. Dieser Steuereinrichtung wird von einem Regler eine Steuerspannung zugeführt, wie er beispielsweise in der obengenannten Druckschrift der Siemens AG beschrieben ist. Die Steuereinrichtung und der Regler wurden in die F i g. 1 und 2 nicht eingezeichnet um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Es ist anzumerken, daß in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel, das in F i g. 1 gezeigt ist, die beiden Asynchronmotoren 1 und 2 oder die beiden Asynchronmotoren 1 und 2 und der Transformator 18 über einen gemeinsamen Schalter an das Drehstromnetz angeschlossen sein können. Außerdem können noch zusätzliche Anlaufwiderstände vorgesehen sein.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Drehstromantriebs anhand der F i g. 3 näher erläutert, in der die Gleichspannung Udw an einem der Wechselrichter, das Lastmoment M_e und das gesamte zulässige Antriebsmoment an den Motorachsen über der Drehzahl (in % der Nenndrehzahl /^aufgetragen ist. Dabei sind M& M_e und Ud» so normiert, daß die gleichgerichtete Läuferstillstandsspannung und das Nennmoment eines Motors jeweils dem Wert 1 für Udw und Md entspricht.

Die Erklärung der Drehzahlsteuerung erfolgt anhand eines Antriebs für einen Lüfter mit quadratischem Momentverlauf. Im Diagramm der Fig.3 ist dabei mit der Kurve 25 die Gleichspannung Udw an einem Wechselrichter, mit der Kurve 26 die Lastkennlinie Me= f(n)und mit der Kurve 27 die Momentbegrenzung, d. h. das gesamte zulässige Antriebsmoment gegeben.

Im Diagramm sind drei Betriebsbereiche mit I bis 111 bezeichnet. Der Anlaufbereich 1 reicht vom Stillstand der Asynchronmotoren 1 und 2 bis zur untersten Drehzahl n_u des betriebsmäßigen Drehzahlstellbereiches, der durch die Betriebsbereiche II und III abgedeckt wird. Im Anfahrbereich I ist nur ein Motor, z. B. der Asynchronmotor 1 und der Transformator 18; über den jeweiligen Schalter 3 und 19 auf das: Drehstromnetz geschaltet. Der Schalter 4 und der

Schalter 20 sind offen.

Die schlupfabhängige Läuferspannung des Asynchronmotors 1 wird durch den Gleichrichter 7 gleichgerichtet. Der gleichgerichteten Läuferspannung wirkt die Summe der Gegenspannungen beider Wechselrichter 10 und 11 entgegen, Die gleichgerichtete Läuferspannung des einen Motors wird auf die beiden Wechselrichter aufgeteilt. Der Asynchronmotor 1 stellt jetzt das gesamte Lastmoment zur Verfügung, während der Asynchronmotor 2 leer läuft. Nimmt man an, daß mit dem Regler der Strom im Zwischenkreis auf 50% des Nennstromes begrenzt wird, so werden vom gesamten Antrieb maximal 0,5 + 0 = 0,5 des Nennmomentes eines Motors an der Welle abgegeben, wie den Kurven 25 und 27 der F i g. 3 zu entnehmen ist. Erreicht der Antrieb die Drehzahl n«, so kann der Asynchronmotor 2 zugeschaltet werden und man erreicht den zweiten Betriebszustand II, der dem mittleren Drehzahlbereich zwischen der untersten Drehzahl n_u und etwa der Mitte des gesamten Drehxahlstellbereichs entspricht. In diesem Bereich sind also beide Asynchronmotoren 1 und 2 und der Transformator 18 über die geschlossenen Schalter 3,4 und 19 an das Drehstromnetz angeschlossen. Der Schalter 20 ist weiterhin geöffnet.

Die schlupfabhängige, gleichgerichtete Läuferspannung beider Asynchronmotoren 1 und 2 wird durch die Reihenschaltung der beiden Gleichrichter 7 und 9 addiert und auf die beiden Wechselrichter 10 und 11 aufgeteilt, die jetzt in der Lage sind, die Gegenspannung für beide Motoren 1 und 2 bereitzustellen, da die gleichgerichtete Schlupfspannung um etwa die Hälfte gesunken ist. Dabei bleiben die Gleichrichter 12 und 13 weiterhin ohne Funktion, da der Schalter 20 geöffnet ist. Jetzt müssen die Asynchronmotoren 1 und 2 gemeinsam das Moment aufbringen, das vor dem Schließen des Schalters 4 vom Asynchronmotor 1 allein aufgebracht wurde. Das Moment <5es Asynchronmotors 1 halbiert sich also und damit auch sein Läuferstrom. Der Asynchronmotor 2 führt dabei wegen der Reihenschaltung der Gleichrichter 7 und 9 den gleichen Läuferstrom wie der Asynchronmotor 1. Setzt man die gleiche Begrenzung des Stromes, wie im Betriebszustand 1 voraus, so wird von dem Gesamtantrieb, d. h. von beiden eingeschalteten Asynchronmotoren 1 und 2 maximal 03 + 0.5 = 1 des Nennmoments eines einzigen Motors abgegeben.

Bei weiterer Erhöhung der Drehzahl nimmt die Schlupfspannung beider Asynchronmotoren 1 und 2 so weit ab, daß jeder der beiden Wechselrichter 10 und 11 in der Lage ist, die Summe der Spannungen beider Motoren zu übernehmen. Nun kann der Schalter 20 geschlossen werden und man erreicht den dritten Betriebszustand Hl, der dem oberen Drehzahlbereich zwischen der Mitte des Drehzahlsteilbereiches und der synchronen Drehzahl n, entspricht in diesem Bereich Hi werden die Asynchronmotoren mit einer Schaltung betrieben, wie sie Fig.2 zeigt in der der Umrichter in zwei parallel arbeitende Hälften aufgeteilt ist Dadurch ergibt sich eine gleiche Aufteilung der jeweiligen Lauferströme auf die drehstromseitig zusammengeschalteten Gleichrichter. Beispielsweise verteilt sich der Läuferstrom des Asynchronmotors 1 auf die beiden Gleichrichter 5 und 7. Die Summe der gleichgerichteten Läuferspannungen beider Motoren 1 and 2 liegt an jedem Wechselrichter und die beiden Umrichter 23 und 24 werden nur vom halben gleichgerichteten Lauferstrom eines Motors durchflossen. Man erreicht also eine nochmalige, zweite Halbierung des Stromes im Umrichterteil.

Setzt man wiederum voraus, daß die Strombegrenzung der Begrenzung der Bereiche I und Il entspricht, so ergibt sich damit eine Verdoppelung des zulässigen Läuferstromes von vorher 0,5 auf 1 und damit ein Grenzmoment für den gesamten Antrieb von 2x1=2 des Nennmoments eines Motors.

Die auf diese Weise gegebene Abstufung in der Momentbegrenzung ist besonders geeignet für einen quadratischen Verlauf der Lastkennlinie M_c = f(n), wie sie in F i g. 3 eingezeichnet ist. Über die Höhe der Strombegrenzung und die Breite der jeweiligen Drehzahlbereiche I bis III kann die Momentbegrenzung 27 der Lastkennlinie 26 angepaßt werden Bei einer ur.tersynchronen Stromrichterkaskade ohne Umschaltung ist vom Stromrichter die volle Motorleistung zu erbringen. Das bedeutet, daß für zwei Motoren der Stromrichter so auszulegen wäre, daß er 2 Md leisten kann. Bei dem erfindungsgemäßen Drehstromantrieb, wie er in Fig. 1 und Fig.2 gezeigt ist. muß der Stromrichter lediglich eine Leistung von 0,7 der Antriebsleistung eines Motors aufbringen. Der Aufwand für den Stromrichter kann damit wesentlich erniedrigt werden. Vergleicht man den Aufwand einer untersynchronen, nicht umschaltbaren Stromrichterkaskade für zwei Motoren mit dem erfindungsgemäßen Drehstromantrieb bei quadratischer Lastkennlinie und einem Drehzahlsteilbereich, wie er in Fi g. 3 angegeben ist. so erhält man ein Verhältnis von 0,35 (=0,7/2). Gleicher maßen wie der Aufwand für den Umrichter, sinkt auch die Steuerblindleistung der Wechselrichter 10 und 11.

Die gleichstromseitige Reihenschaltung der ungesteuerten Gleichrichter erzwingt sowohl im Betriebs.bereich I und U nach F i g. 1 als auch im Betriebsbereich IH nach F i g. 2 ohne Zusatzmaßnahmen in den ungesteuer ten Gleichrichtern einen gleichen Gleichstrom und damit auch einen gleichen Läuicrstrom für jeden der Asynchronmotoren 1 und 2. Damit erhält man ein gleiches Drehmoment für diese Motoren. Dies gilt auch bei beliebiger Winkellage der Asynchronmotoren 1 und 2 zueinander und auch bei unterschiedlichen Drehzahlen. Damit erhält man eine gleichmäßige Lastaufteilung auf die beiden Einzelmotoren, die auch bei unterschiedlichen Motordrehzahlen ohne zusätzliche Regelung erreicht wird. Dies gut sowohl für nicht miteinander gekuppelte als auch mit beliebiger Übersetzung direkt oder über Getriebe mit festem oder variablem Übersetzungsverhältnis miteinander gekuppelten Drehstrommotoren mit Schleifringläufer. Zu erwähnen ist noch, daß bei bestimmter von den Wechselrichtern erzeugter Gegenspannung die Summe der Drehzahl der Einzelmotoren konstant ist wobei sich die Drehzahl der Einzelmotoren frei einstellen kann. Mit der Reihenschaltung der Gleichrichter kann man demnach ein elektrisches Differenzial aufbauen und der erfindungsgemäße Drehstromantrieb eignet sich als Fahrwerkantrieb.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Drehstromantrieb eine umschaltbare, untersynchrone Stromrichterkaskade für mehrere Motoren realisiert wurde, die die angegebenen Vorteile der bekannten umschaltbaren untersynchronen Stromrichterkaskade besitzt. Durch das Zuschalten des zweiten Motors und durch die Umschaltung von Reihen- auf Parallelbetrieb erfolgt eine zweimalige Halbierung des Stromes im UmrichterteH, was besonders bei Antrieben mit linear oder stärker als linear ansteigender Drehmoment-Drehzahlkenntinie von Be-

deutung ist. Insbesondere das spätere Zuschalten des zweiten Motors ersetzt eine Anlaßeinrichtung mit Widerständen und verhindert die damit verbundenen Schwierigkeiten des Umschaltens vom Widerstands- auf Kaskadenbetrieb. Damit reduziert sich die Baugröße des gesamten Umrichters, der Drosselspulen und des Transformators bis auf die Hälfte und der Geräteaufwand wird trotz zusätzlicher Bauelemente wesentlich geringer.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. si

   Gleichrichter in Reihe geschaltet Im oberen Teil de

   _ . Drehzahlstellbereiches wird der Schalter geschlossei

   Patentanspruch: ^"Sder zweiteGleichricbter an den Schleifring^

   an em DrehstfQmnetz anschaltbaren Asynchronmo-

   tor mit Schleifringläufer, der mit de« Drehstrom- ^!SZS^S^^SSS^S
   klemmen eines ersten, ungesteuerten Gleichrichters sctaitDare. «nicrsyu" ... p,_imiv,_n

   in Brückenschaltung verbunden ist. der mit zwei <len insbesondere zum ^"^e«? ^VOJ Pumpen
   gesteuerten Wechselrichtern und einem zweiten Wto» .eingesetzt, ^^ ^^^^™ ^el!« angesteuerten Gleichrichter in Brackenschaltung in « quadratisch mit der Drchzafa* »«^¹· ■**« ™£ de, alternierender Reihenfolge in einer Ringschaltung aus Gle.ch- »^ecfeelnchter bestehende Umr,chte, angeordnet ist, in der die Gleichstromklemmen bei kiemer Drehzahl und hoher Spannung emer aufeinanderfolgender Gleich- und Wechselrichter .niedrigen Strom und be.g ™^ Drehzah lund medngei miteinander verbunden sind, wobei die Drehstrom- Spannungeinen hohen Strom aufnehmen Die untersyn klemmen der Wechselrichter zum Drehstromnetz 15 chrone Stromrichterkaskade mit umschahbarem Um zurückgeführt und die Drehstromklemmen der richter paßt sich diesem Sirom-Spannungsveriauf .r beiden Gleichrichter über einen Schalter miteinan- zwei Stufen an.

   der zu verbinden sind, dadurch gekenn- . Es besteht die Aufgabe, einen Drehstromamrieb dei zeichnet, daß ein zweiter mit dem ersten eingangs genannten Art so zu erweitern, daß zwei Asynchronmotor (1) mechanisch gekuppelter *o Motoren unter Beibehaltung der Vorteile der umschalt-Asynchronmotor (2) mit Schleifringläufer an das baren untersynchronen Stromnchterkaskade m.t gle.ch Drehstromnetz (R. S. T) anschaltbar ist. dessen müßiger Lastaufteilung zu betreiben sind.
   Schleifringläufer mit den Drehstromklemmen (8) Erfindungsgemäß w.rd d.ese Aufgabe dadurch gelost,

   eines dritten ungesteuerten Gleichrichters (9) in daß ein /weiter, mit dem ersten Asynchronmotor Briickenschaltung verbunden ist. daß der dritte *5 mechanisch gekuppelter Asynchronmotor mit Schleif-Gleichrichter und ein vierter ungesteuerter Gleich- läufer an das Drehstromnetz anschaltba·· ist, dessen richter (113) in Briickenschaltung in die Ringschaltung Schleifringläufer mit den Drehstromklemmen ei^es (30) eingefügt sind, wobei der dritte Ci leichrichter (9) dritten, ungesteuerten Gleichrichters in Bruckenschal mit dem ersten Gleichrichter (7) und der vierte tung verbunden ist, daß der dritte Gleichrichter und ein Gleichrichter (13) mn dem zweiten Gleichrichter 53 vierter ungesteuerter Gleichrichter in Brückenschaltung (l2) in Reihe geschaltet sind und daß über den in die Ringschaltung eingefügt sind, wobei der dritte Schalter (15) die Drehstromklemmen (30) auf der Gleichrichter mit dem ersten Gleichrichter und der Kathodenseite (Κ)ηηά die Drehstromklcmme (6,22) vierte Gleichrichter mit dem ersten Gleichrichter in der beiden Gleichrichter (7, 13]i, die in der Reihe geschaltet sind und daß über den Schalter die Ringschaltung (30) auf der Anodcnscitc (A) der 35 Drehstromklemmen der beiden Gleichrichter, die -n der beiden Wechselrichter (10, 11) liegen. ?u verbinden Ringschaltung auf der Kathodenseite und die Drehsind, stromklemmen der beiden Gleichrichter, die in der

   Ringschaltung auf der Anodenseite der beiden Wechsel-

   richter liegen, zu verbinden sind.

   40 Der erfindungsgemäße Drehstromantrieb kann in drei Bereichen betrieben werden. Damit erreicht man

   Die Erfindung betrifft einen drehzahlsteuerbaren eine zweimalige Halbierung des Stromes im Stromrich-Drehstrornantrieb mit einem an ein Drehstromnetz terteil und dadurch eine wesentliche Einsparung in der anschaltbaren Asynchronmotor mit Schleifringläufer. Bemessung des Stromrichters. Im Anlaufbereich wird der mit den Drehstromklemmen eines ersten, unge- 45 lediglich einer der Asynchronmotoren eingeschaltet, steuerten Gleichrichters in Briickenschaltung verbun- Die beiden Wechselrichter sind in der Lage, die den ist. der mit zwei gesteuerten Wechselrichtern und Gegenspannung für beide Motoren bereitzustellen und einem zweiten, ungesteuerten Gleichrichter in Brücken- der sonst erforderliche Anlasser kann damit entfallen, schaltung in alternierender Reihenfolge in einer Erreicht die Drehzahl die untere Grenze des betriebs-Ringschaliiung angeordnet ist, in der die Gleichstrom- 50 mäßigen Drehzahlstellbereirhes. so wird der zweite klemmen aufeinanderfolgender Gleich- und Wechsel- Asynchronmotor zugeschaltet. Die beiden Wechselrichrichter miteinander verbunden sind, wobei die Dreh tcr und der dritte und der vierte Gleichrichter sind nun stromklemmen der Wechselrichter zum Drehstromnetz in Reihe geschaltet. Vom Antrieb wird jetzt bei zurückgeführt und die Drehstromklemmen der beiden wesentlich geringerer Belastung für den Einzelmotor Gleichrichter über einen Schalter miteinander zu 55 das gleiche Nennmoment wie bei einem Antrieb mit verbinden sind. einem Motor abgegeben. Im oberen Drehzahlbereich

   Ein soicher Drehstromantrieb ist aus der DT-PS wird der Schalter geschlossen. Nun sind zwei Zwischen-38 646 bekannt. Mit dieser sogenannten umschaltba- kreisumrichter parallel geschaltet, wobei jeder Motor ren untersynchronen Stromrichterkaskade erreicht über einen Gleichrichter mit dem Zwischenkreis jedes man, verglichen mit einer untersynchronen Strom- 60 Umrichters verbunden ist. Man erhält damit eine richterkaskade, die nicht umschaltbar ist, einen wesent- Verdoppelung des zulässigen Läufersiromes und der lieh geringeren Aufwand im Stromrichterleil und eine Drehstromantrieb kann ein Grenzmoment abgeben, das verringerte Blindleistungsaufnahme, insbesondere im etwa doppelt so groß wie das Nennmoment eines oberen Drehzahlbereich. Dabei ist im unteren Teil des Motors ist. Wesentlich ist dabei für die beiden Drehzahlstellbereiches der Schalter geöffnet und nur 65 letztgenannten Betriebsbereiche, dali die ungesteuerten ein Gleichrichter an den Schleifringläufer angeschlos- Gleichrichter gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind, sen. Die beiden Wechselrichter sind in diesem woraus ein gleicher Läuferstrom für jeden Einzelmotor Betriebszustand über den spannungslosen zweiten resultiert und daher die Motoren an ihrer Welle ein