DE2556582C2

DE2556582C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Mehrphasen-Wechselstrommotors

Info

Publication number: DE2556582C2
Application number: DE2556582A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Winchester Mass. Katz; Lawrence A. W.Lynn Mass. Ormord
Original assignee: ASTRO DYNAMICS Inc NORTHWEST INDUSTRIAL PARK MASS US
Current assignee: ASTRO DYNAMICS Inc NORTHWEST INDUSTRIAL PARK MASS US
Priority date: 1974-12-12
Filing date: 1975-12-12
Publication date: 1982-12-23
Also published as: US3991353A; GB1509766A; DE2556582A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrphasen-Wechselstrommotors mit Drehzahlen, die von der Drehfrequenz des speisenden Dreiphasen-Drehstromnetzes abweichen, wobei für jede Motorphase mindestens eine Wicklung vorgesehen ist und sämtliche Wicklungen über elektronische Schalter zyklisch mit den Phasen des Drehstromnetzes derart verbindbar sind, daß durch Zuführen von ausgewählten Teilen der Netzspannungshalbwellen im Motor ein Drehfeld entsteht. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß man aus einem Dreihphasen-Wechselstrom mit verhältnismäßig einfachen Mitteln einen Einphasen-Wechselstrom der dreifachen Frequenz erzeugen kann. Es ist hierzu, wie die DE-OS 22 52 466 zeigt, lediglich notwendig, von jeder Halbwelle der drei Phasen die jeweils ersten 120° der Phasendauer zu unterdrücken, so daß sich eine Folge von Stromendabschnitten wechselnder Polarität ergibt, die jeweils 60° Phasendauer haben und sich lückenlos aneinanderreihen.

Mit den einfachen Maßnahmen der vorgenanntsn Art ist es jedoch nicht möglich, ein Drehfeld zu erzeugen, wie es für den Betrieb eines Drehstrommotors erforderlich ist Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist dazu in der Lage. Ein solches ist aus der US-PS 36 24 472 bekannt. In dieser ist ein sogenannter Zyklokonverter, d. h. eine Einrichtung beschrieben, die geeignet ist, mittels einer aufwendigen elektronischen Steuerung aus jeder beliebigen Netzphase ebenfalls zeitlich bestimmbare Anteile auszuwählen und einer der den Motorphasen zugeordneten Wicklungen zuzuführen. Die Steuerung ist dabei so vorgenommen, daß sich im Motor ein Drehfeld mit einer von der Netzfrequenz abweichenden niedrigeren Drehzahl ergibt. Die dargestellte Anordnung ist außerordentlich aufwendig.

Aus der GB-PS 12 43 657 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors an einem Einphasennetz bekannt. Hierzu werden aus den Halbperioden der Einphasenschwingung aufeinanderfolgende Abschnitte gleicher Phasenlänge herausgeschnitten und den verschiedenen Phasen des Motors zugeteilt. Die Anzahl der Abschnitte, in die eine Halbperiode geteilt wird, ist von Einfluß auf die sich einstellende Drehzahl. Die Motorleistung ist jedoch nicht besonders hoch, da immer nur ein Motorpolpaar erregt wird, die anderen Polpaare aber stromlos sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das es mit geringem schaltungstechnischen Aufwand erlaubt, einen Drehstrommotor mit einer von der Frequenz des Drehstromnetzes höheren Drehzahl zu betreiben.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. In diesen zeigen

Fig. IA, IB und IC Netzphasen-Diagramme mit Stromabschnitten, die in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden;

Fig.2A, 2B und 2C sind Erregerstrom-Wellen an jedem der drei Magnetpole des Motors;

Fig.3 ist ein Schaltbild eines Motors, der für den Betrieb gemäß dem beschriebenen Verfahren konstruiert ist.

Mit Hilfe von elektronischen Schaltern, wie z. B. Thyristoren, die zu besonderen Zeitpunkten zum Leiten oder Einschalten, wie bekannt, ausgelöst werden, werden Teile jeder Phase nur während des letzten Teils ihrer Halbperiode ausgenutzt, so daß die Phase wieder erlöscht, wenn die Spannung einen Nulldurchgang hat. Einer der Gründe für die bevorzugte Verwendung der letzten, etwa 60° in jedem Halbzyklus ergibt sich aus der Tatsache, daß Thyristoren zwar leicht einschaltbar sind, aber nur durch Null-Strom oder Null-Spannung ausgeschaltet werden können. Infolgedessen wird der Thyristor, wenn er bei etwa 120° von Null entfernt eingeschaltet wird, bei 180° abgeschaltet, wenn die Spannungswelle durch Null geht. In ähnlicher Weise

wird der Thyristor während des negativen Zyklus bei etwa 300° eingeschaltet und bei 360° ausgeschaltet, wenn die Nullachse wieder geschnitten wird. Dieselbe Arbeitsweise vollzieht sich in allen anderen Phasen, mit Ausnahme eines Auseinanderliegens der entsprechenden Phasen um 120°.

Der erste Gesichtspunkt, der rirmgemäß bei der Erfindung maßgebend ist, besteht in der Schaffung einer Vorrichtung, die eine Reihe von Thyristoren an der gewünschten Stelle einschaltet, beispielsweise etwa 60° vor dem Nulldurchgang, wobei die Thyristoren automatisch abgeschaltet werden, wenn die Spannung durch Null geht. Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft die Beschaffenheit der Magnetpole an einem Dreiphasenmotor, die in F i g. 3 bifilar gewickelt dargestellt sind, so daß tatsächlich zwei Wicklungen um jeden Pol A, Bund Cvorhanden sind. Bei dieser Ausführungsform wird, wie noch zu erläutern sein wird, eine erste Wicklung um jeden Pol benutzt, um den Strom aus einer bestimmten Phase durchzuleiten, und die andere Wicklung wird benutzt, um den Strom aus einer anderen Phase durchzuleiten. Es ist wichtig, zwischen den Spannungsoder Strom-Wellenformen in den drei Netzphasen (Fig. IA, IB und IC) und den tatsächlich in den Magnetpolen (Fig. 2A, 2B und 2C) auftretenden Strömen zu unterscheiden.

Damit jeder Magnetpol richtig arbeitet, ist es notwendig, daß er abwechselnd einen positiven und einen negativen Strom erhält. Aus F i g. 2A, die die dem Magnetpol A zugeführten Erregerstromimpulse wiedergibt, ist ersichtlich, daß die positive Wicklung A₁ des Magnetpols A ihre Energie aus der C-Phas^ (φο Fig. IC) erhält, während die negative magnetische Wicklung A2 des Magnetpols A ihre Energie aus der Λ-Phase (φ_Α, Fig. IA) erhält. Die tatsächliche Verbindung der Wicklungen A\ und A2 des Magnetpols A ist abwechselnd durch Plus- oder Minuszeichen sowie durch Unterstreichung jedes Buchstabens zur Angabe, ob die Wicklung umgekehrte Polarität hat oder nicht, veranschaulicht.

Hinsichtlich Fig. 2B sind die zwei Phasen, die den Magnetpol B und seine Wicklungen ßi und Bi speisen, die Phasen B (q>_B; Fig. IB) und C (φα Fig. IC). Aus Fig. 2C ist ersichtlich, daß die beiden Phasen, die den Magnetpol C und seine Wicklungen Q und Cz speisen, die Phasen A (<p_A, Fig. IA) und B (φ& Fig. IB) sind. Infolgedessen teilen die einzelnen Magnetpole sich in eine verschiedene Kombination von Erregungsphasen, um bei dieser Ausführungsform die elektrischen Ströme der doppelten Netzfrequenz zu erzeugen.

Bei diesem besonderen Frequenzverdopplungs-Beispiel der Erfindung werden tatsächlich zwei Phasen benutzt, so daß eine 60°-Lücke in jeder der Erregungs-Strom- oder Spannungs-Formen in Fig. 2A, 2B und 2C in der Weise erscheint, daß diese Lücken zu verschiedenen Zeitintervallen auftreten. Wo drei Phasen benutzt werden, wie bei dem Erhalten einer Verdreifachung der potentiell höchsten Frequenz, wurden solche Lücken nicht auftreten.

Speziell gibt es bei den Speise-Spannungs- oder -Strom-Wellenformen nach F i g. 2A für den Magnetpol A eine 60°-Lücke zwischen dem ersten und dritten 60° -Teil des ersten Halbzyklus; und diese 60°-Zwischenlücke tritt in jedem der aufeinanderfolgenden Halbzyklen auf. Bei der Wellenform nach F i g. 2B, die an den Magnetpolwicklungen B auftritt, befindet sich die 60°-Lücke in den letzten 60° des Halbzyklus; während bei der Wellenform nach F i g. 2C es die ersten 60° jedes Halbzyklus der dritten Phase sind, die in der Speise-Wellenform fehlen.

Damit ein Magnetpol an einem Motor erfolgreich arbeitet, muß er natürlich abwechselnd positiv und negativ erregt werden. Infolgedessen sind die Netzphasen und Wicklungen so ausgewählt, wie oben in F i g. 1 und 2 gezeigt, daß jeder einzelne Magnetpol abwechselnd positiv und negativ gespeist wird; jedoch mit einer schnelleren Folge als der auf den Dreiphasen eintreten-

;o den Normal-Frequenz entspricht. Einer der Gründe, warum diese Anordnung offensichtlich früher der Fachwelt auf diesem Gebiet entgangen ist, besteht in der fast axiomatisch festgelegten Regel, die bei der Verwendung von Dreiphasen-Energie festgelegt wurde und besagt, daß zwei Netzphasen nicht gleichzeitig mit derselben Last verbunden werden dürfen, da sie sich in der Phase unterscheiden. Aus F i g. 2A, 2B und 2C ist jedoch ersichtlich, daß diese Regel gleichwohl eingehalten wurde. In keinem Zeitpunkt sind zwei Netzphasen an denselben Magnetpol angelegt. Beispielsweise werden die Netzphasen A und C die mit dem Magnetpol A verbunden sind, abwechselnd eingeschaltet und stören sich »theoretisch« gegenseitig nicht. Ähnliche Betrachtungen gelten für die anderen Phasenerregungen. Wegen großer Induktivitäten und Kreuzkopplungen, die in der Praxis in Magnetkreis-Motoren existieren, wird jedoch eine ideale Situation in der Praxis nicht immer verwirklicht; und es ist recht oft möglich, daß, obwohl die Energie an einem speziellen

jo Punkt abgeschaltet wird, der Strom in der Polwicklung weiter andauert infolge der großen Induktivität des Kreises. Infolgedessen können Gegen- oder Umlauf-Ströme erzeugt werden, wenn die nächste Phase eingeschaltet wird; da der Strom recht oft hinter der

J5 Spannung herläuft. Dies läßt sich durch Berichtigungen des genauen Schaltzeitpunktes der verschiedenen Thyristoren kompensieren.

Die tatsächliche Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, wurde konstruiert und erfolgreich betrieben als Schnelläufer-Motor, wobei die folgenden Bauteile und Konstruktionen benutzt wurden: ein Wechselstrom-Motor, der ursprünglich für den Bereich bei 11 500 U/min mittels einer Energiequelle von 400 Hz konstruiert war; Dreiphasen, 208/120 V in Sternschaltung, durchschnittlich 60-Hz-Strom von 7,8 A mit einem Leistungsausgang von 1,5 PS. Der Motor war für Dauerbetrieb mit einem Abdrossel-Drehmoment von 850 pcm konstruiert und hatte 36 Nuten. Der Motor wurde, wie er erhalten wurde, für richtigen Betrieb aus einer 400-Hz-Energiequelle getestet und danach bifilar gewickelt, wie in Fig.3 angegeben. Die Wicklung A? des Magnetpols A, F i g. 3, wird von vier SCR's gespeist, die mit 3,3' und 6,6' bezeichnet sind. Diese sind mit der Klemme für die Phase A (gu) in der W^ise verbunden, da3 mit SCR's während des Λ + -Schaltbefehls der Netzphase A bei der Zeitfolge 3, die oben in Fig. IA angegeben ist, eingeschaltet werden. Die SCR's 6, 6' werden während des /4-Teils der Phase bei der Zeitfolge 6, die oben in Fig. IA angegeben ist, abgeschaltet.

bo Jedes der an den SCR's in Fig.3 angebrachten Bezugszeichen bezeichnet den besonderen Schaltzeitpunkt, zu dem das SCR leitend gemacht wird.

Es werden also die als Parallelkreise miteinander verbundenen Wicklungen G des Pols C und A2 des

b5 Magnetpols A durch φ α während eines Teils des Zyklus über die Anordnung der SCR's 3, 3' und 6, 6' gespeist. Die andere Wicklung A\ des Magnetpols A wird über die Netzphase φ« gespeist und ist in einem Parallelkreis

mit der Wicklung βτ mit dem Magnetpol B verbunden. Diese beiden Wicklungen A\ und B₇ werden zusammen von den vier SCR's gespeist, die mit 1, Γ und 4, 4' bezeichnet sind. Der Speisevorgang vollzieht sich über die Phase ψΑ über die linke Wicklung A₇ und über die Phase </)<·■ und ψβ über die beiden Wicklungen Si und Si; und der dritte Magnetpol C wird abwechselnd über die Netzphasen φ α und (pagespeist.

Der Motor ist als ein zweipoliger Dreiphasen-Motor gewickelt, bei dem jeder Pol um 120° in räumlicher Phase angeordnet ist. Der Läufer ist schematisch bei R dargestellt. Es ist jedoch zu beachten, daß das dargestellte Diagramm nur eine zeichnerische Wiedergabe ist und daß jeder Magnetpol tatsächlich ein Paar 180° auseinanderliegende (nicht dargestellte) Segmente enthält.

Üie Anordnung nach Fig. 3 arbeilet in Übereinstimmung mit speziellen Wellenformen nach Fig. 2A, 2B und 2C.

Beim tatsächlichen Betrieb wurde die bei 1, 2 und 3 bzw. in F i g. 2A, 2B und 2C gezeigte Hüllkurve erzeugt.

was das überraschende Ergebnis einer ungefähren Verdoppelung der früher üblichen maximalen 3600 U/min zeigt, die beim Stand der Technik für die obere Grenze des Motorbetriebs gehalten wurden. In der tatsächlichen Praxis weichen die sich ergebenden Wellenformen 1, 2 und 3 etwas von der genauen Sinusform ab, obwohl sie ihr ausreichend nahekamen, um einen höchst befriedigenden Betrieb zu ermöglichen. Der tatsächliche Grund dafür, daß die Hüllkurve einen allmählicheren Anstieg von im wesentlichen sinusförmigen Segmenten enthält, wie z. B. auf dem ansteigenden Teil, der am linken Ende von F i g. 2A beginnt, scheint in der Trägheit der Induktivität zu liegen, wenn die steile Strom- oder Spannungs-Wellenform, die mit Cbezeichnet ist, angelegt wird. Erzielte Wellenform-Diagramme kommen jedoch erstaunlich der Sinusform nahe.

Während der bevorzugif dreiphasige Beirieb und die Benutzung von zwei Phasen veranschaulicht wurden, lassen sich die Prinzipien der Erfindung auch auf weniger und mehr Phasen anwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Mehrphasen-Wechselstrommotors mit Drehzahlen, die von der Drehfrequenz des speisenden Dreiphasen-Dreh-Stromnetzes abweichen, wobei für jede Motorphase mindestens eine Wicklung vorgesehen ist, und sämtliche Wicklungen über elektronische Schalter zyklisch mit den Phasen des Drehstromnetzes derart verbindbar sind, daß durch Zuführen von ausgewähl- iu ten Teilen der Netzspannungshalbwellen im Motor ein Drehfeld entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Motorphase während einer Netzhalbwelle jeweils eine Folge von aus verschiedenen Netzphasen stammenden Endabschnitten von is Netzhalbwellen in gegensinnigen Magnetisierungsrichtungen zugeführt werden, wobei die aus zwei Endabschnitten bestehender. Folgen in den verschiedenen Motorphasen gegeneinander im Sinne der Drehfelderzeugung zeitlich versetzt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte eine Länge vGn 60 Grad elektrisch haben.

3. Verfahren nach Anspruch 2 für Motoren, bei denen für jede Motorphase zwei bei ihrer Erregung entgegengesetzte Magnetflüsse erzeugende Wicklungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Wicklung jeweils der Endabschnitt der zugeordneten Netzphase und der anderen Wicklung jeweils der Endabschnitt einer anderen Netzphase zugeführt werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit steuerbaren Halbleitern als elektronischen Schaltern, dadurch gekennzeichnet, daß jede erste Wicklung (Au Bu Q) jeder & Motorphase (A, B, C) mit der zweiten Wicklung (A₂, B₂, C₂) jeder in Umlaufrichtung folgenden Phase parallelgeschaltet ist, daß jede dieser so gebildeten Parallelschaltungen (A], B₂; Si, C₂; Ci, A₂) über die steuerbaren Halbleiter (1, Γ bis 4, 4') jeweils mit to einer Netzphase {ψΑ, ψβ, <pc) und dem Sternpunkt verbindbar ist, indem jeweils ein zuleitender Halbleiter (Γ, 2', 3', 4', 5', 6') zwischen der positiven Klemme der Parallelschaltung und der Netzphase bzw. dem Sternpunkt liegt und jeweils ein ableitender Halbleiter (1,2,3,4,5,6) zwischen der negativen Klemme der Parallelschaltung und der Netzphase bzw. dem Sternpunkt liegt.