DE3113564A1

DE3113564A1 - Verfahren zum speisen einer als antriebsmotor eingesetzten asynchronmaschine

Info

Publication number: DE3113564A1
Application number: DE19813113564
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8263 Burghausen Kallas; Jochen Dr.-Ing. 8399 Ruhstorf a.d. Rott Schörner
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1982-10-28
Also published as: FR2503482A1; NL8200882A

Description

79 602 3. April 1981

Loher GmbH
8399 Ruhstorf/Rott

Verfahren zum Speisen einer als Antriebsmotor eingesetzten Asynchronmaschine

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gemäß dem Stande der Technik werden Asynchronmaschinen unter den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Voraussetzungen durch direkten Anschluß an das allgemeine Speisenetz gespeist. Beim Beschleunigen und Abbremsen treten in diesen direkt am Speisenetz betriebenen Asynchronmaschinen Verluste auf, die bei großen Massenträgheitsmomenten ganz erhebliche Werte annehmen. Infolge der Anfahr- und Bremsverlustarbeit müssen die Asynchronmaschinen häufig überdimensioniert und mit einem Sonderläufer ausgestattet werden. Ferner müssen die Schaltgeräte und die Zuleitungen für die hohen Anlauf- und Bremsströme ausgelegt werden. Auch die mechanischen Verbindungselemente zwischen Motor- und Arbeitsmaschinenwelle müssen für die stoßartigen Momenten-Beanspruchungen bei den Schaltvorgängen und die höheren Drehmomente beim Anlauf und beim Bremsen ausgelegt sein. Die vorstehend genannten Nachteile können in bekannter Weise in gewissen Grenzen dadurch verringert werden, daß die Asynchronmaschinen polumschaltbar eingerichtet werden,, doch bedeutet dies einen entsprechenden Mehraufwand für die Maschinen und an Schaltgeräten.

Eine andere Möglichkeit,, die genannten Nachteile zu verringern _# liegt in der bekannten Verwendung einer hydraulischen Kupplung zwischen der Asynchronmaschine und der Arbeitsmaschinenwelle. Allerdings ist damit keine Verringerung der Anlauf- und Bremsverlustarbeit möglich, sondern es wird nur der Entstehungsort der Verluste vom Maschinenläufer in die Kupplung verlagert. Außerdem stellt die mechanische Kupplung einen aufwändigen und störanfälligen Bauteil dar.

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Häufig werden neben der/"Bereich der Nenndrehzahl liegenden

Arbeitsdrehzahl noch weitere,, hiervon verschiedene Arbeitsdrehzahlen gefordert. Im Stande der Technik wird diese Forderung entweder ebenfalls durch Polumschaltung der Asynchronmaschine

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maschine oder durch den Einsatz eines zusätzlichen, an die Asynchronmaschine angeflanschten Getriebemotors realisiert. Die Polumschaltung der Asynchronmaschine ist, wie oben bereits erwähnt, aufwendig und hinsichtlich des Ergebnisses der Verminderung der Verluste beim Beschleunigen, beim Abbremsen und auch bei der Arbeitsdrehzahl-Änderung sehr unzureichend, während der Einsatz des zusätzlichen Getriebemotors die Anordnung einer Überhohlkupplung zwischen .der Asynchronmaschinenwelle und der Abtriebswelle des Getriebemotors verlangt, so daß auch im letzteren Falle der Aufwand sehr erheblich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu gestalten, daß es gegenüber dem Stande der Technik einerseits mit weitaus geringeren Verlusten und damit einer erheblichen Einsparung an elektrischer Energie und andererseits überdies mit einem verhältnismäßig geringem Aufwand durchgeführt werden kann.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelost.

Statische. Frequenzumformer wurden bisher bei geregelten Antrieben eingesetzt. Bei solchen geregelten Antrieben wird jedem Einzelmotor eine regelbare Speisequelle zugeordnet, an der der Motor auf Dauer angeschlossen bleibt. Der Wirkungsgrad von realen Steuergeräten ist zwar recht hoch, aber doch merklich kleiner als Eins. Daraus ergeben sich Verluste im Steuergerät selbst, die doch erheblich ins Gewicht fallen können. So ergibt sich zum Beispiel bei einem 200 kW- Antrieb und einem in der Praxis recht guten Umformerwirkungsgrad von 96% bei einer Betriebsdauer von circa 4000 h/Jahr in der Nenndrehzahl eine Verlustenergie von 32 MWh. Hinzu kommen noch die zusätzlichen Verluste,die durch den Umformerbetrieb (hier insbesondere die Abweichung von der Sinusform der Speisung) in dem Motor selbst auftreten. Diesem Stand der Technik bei der Speisung drehzahlgeregelter Antriebe gegenüber beruht

ruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß ein Umformer auch für die Speisung unter den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Bedingungen mit erheblichem Vorteil hinsichtlich Verringerung der Verluste und hinsichtlich der Verkleinerung des konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwandes eingesetzt werden kann, wenn der Umformer nur für Beschleunigungs- und Bremsvorgänge sowie für kurzzeitige Arbeiten mit von der Nenndrehzahl verschiedenen weiteren Arbeitsdrehzahlen herangezogen wird und für den Nennbetrieb der direkte Anschluß an das Speisenetz beibehalten wird, weil so die Vorteile des Umformerbetriebes mit den Vorteilen des direkten Netzbetriebes unter Vermeidung von deren Nachteilen kombiniert werden und damit die Voraussetzung dafür geschaffen ist, daß sich der Einsatz eines Umformers auch unter den gattungsmäßig gegebenen Umständen lohnt.

Mit Hilfe des Umformers können die Verluste wegen der Möglichkeit, die Speisefrequenz der augenblicklichen Maschinendrehzahl nur wenig vor - bzw. nacheilen zu lassen^in weitaus größerem Umfange herabgesetzt werden, als dies durch Polumschaltung und die anderen oben genannten Maßnahmen möglich ist. Wenn der Frequenzumformer in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 so gesteuert wird, daß die Asynchronmaschine jederzeit nur im Nennschlupfbereich arbeitet, treten auch bei Drehzahländerungen in der Maschine höchstens die Nennverlpste auf. Infolge der stets nur kleinen Verluste braucht die Asynchronmaschine nicht überdimensioniert zu werden und Schaltgeräte sowie Zuleitungen brauchen nur für die im Nennbetrieb auftretenden Anlauf- und Bremsströme ausgelegt zu werden. Die mechanischen Verbindungselemente zwischen Asynchronmaschinenwelle und Arbeitsmaschinenwelle müssen ebenfalls nur für die Momentenbeanspruchungen ausgelegt werden _B die im Nennbetrieb auftreten. Im Nennbetrieb ergeben sich außer den Nennverlusten in der Asynchronmaschine keine weiteren zusätzlichen Verluste, da dann die Maschine mit sinusförmigem Speisestrom direkt am allgemeinen Speisenetz arbeitet. Arbeiten mit anderen Drehzahlen als der im

Nenndrehzahlbereich

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Nenndrehzahlbereich liegenden können mit der dann umformergespeisten Maschine ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen durchgeführt werden.

Die Unteransprüche 3 bis 7 betreffen ebenfalls bevorzugte Weiterbildungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 1.

Die Verwendung eines rückspeisefähigen Frequenzumformers eröffnet die Möglichkeit, die beim Hochlaufen mechanisch gespeicherte Energie ins Netz zurückzuführen.

Durch die Maßnahmen gemäß Patentanspruch 5 werden Schaltstösse weitgehend herabgesetzt.

Die Erfindung hat auch ein Verfahren zum Speisen einer Gruppe von Asynchronmaschinen zum Gegenstand, das unter Anwendung des bisher geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens einen ganz besonders rationellen und ernergiesparenden Betrieb der Maschinen-Gruppe mit minimalem Aufwand ermöglicht. Die wesentlichen Merkmale dieses Verfahrens sind im Kennzeichungsteil des Patentanspruchs 8 genannt.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 8 wird für die ganze Gruppe von Asynchronmaschinen nur ein einziger Frequenzumformer benötigt, weil dieser nicht nur nach den einzelnen Beschleunigungsvorgängen auf Nenndrehzahl sondern auch nach jedem der anderen mit einer Drehzahländerung verbundenen Vorgänge von der hierfür an ihn angeschlossenen Asynchronmaschine abgeschaltet wird und so von den einzelnen Maschinen immer nur so kurzzeitig beansprucht wird, daß er die ganze Maschinen-Gruppe ohne weiteres zu bedienen vermag.

Mit einem rückspeisefähigen Frequenzumformer wird das Verfahren gemäß Patentanspruch 8 vorzugsweise unter Anwendung der im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale durchgeführt. Notfälle, die eine Abbremsung mit maximaler Geschwindigkeit

erfordern

erfordern, können hierbei gemäß Patentanspruch 10 berücksichtigt werden.

Die in den Patentansprüchen 11 und 12 angegebenen Merkmale führen zur Optimierung des Verfahrens der Gruppen-Speisung.

Die Gruppen-Speisung hat vielerlei Anwendungsmöglichkeiten. So arbeiten beispielsweise in der chemischen Verfahrenstechnik häufig Pumpen, Verdichter, Lüfter, Rührwerke, Zerkleinerungsmaschinen, Mühlen, Zentrifugen, Separatoren, Dekanter u.v.a.m. gruppenweise zusammen. Die Gruppe von Arbeitsmaschinen weist dabei neben dem Merkmal der vorwiegend konstanten Arbeitsdrehzahl noch hohe Massenträgheitsmomente auf.

Im Bedarfsfalle können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Arbeitsmaschine auch Arbeiten mit geregelter Drehzahl vorübergehend durchgeführt werden, weil der Umformer diese Möglichkeit ebenso bietet, wie die Möglichkeit der Vorgabe einer von der Haupt-Arbeitsdrehzahl verschiedenen Drehzahl.

Die Ansprüche 13 und 14 betreffen Schaltungsanordnungen zum Durchführen der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7 bzw. 8 bis 12.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand einer die erfindungsgemäße Gruppen-Speisung vollziehenden, in der Zeichnung im Blockschaltbild wiedergegebenen Schaltungsanordnung noch näher erläutert.

Die Schaltungsanordnung weist mehrere Antriebe A und ein übergeordnetes Leitsystem 8 auf.

An ein übergeordnetes Versorgungsnetz 1 ist eine Versorgungsschiene 2 für den Frequenzumformer 4 und eine das allgemeine

Speisenetz

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Speisenetz 3 bildende weitere Versorgungsschiene für die Direktspeisung der Asynchronmaschinen 6, bis 6 angeschlossen. Je nach Schaltzustand a) , b), c) der Schütze 5.. bis 5 sind die Maschinen mit dem allgemeinen Spexsenetz oder dem frequenzvariablen Umformerausgang 7 verbunden oder im Schaltzustand b) stromlos. Der Schaltzustand der Schütze wird vom Leitsystem 8 über die Umschaltbefehle S, - S vorgegeben. Diese Schaltbefehle legen fest, daß immer nur derjenige Antrieb mit dem Frequenzumformer 4 verbunden ist, bei dem eine Drehzahländerung durchgeführt werden soll. Alle anderen Antriebe sind mit dem Speisenetz 3 verbunden oder ausgeschaltet. Weiterhin wird durch das Leitsystem 8 sichergestellt, daß beim Umschalten von Netz- auf Umformerbetrieb oder umgekehrt eine Sicherheitszeit in der Schaltstellung b) eingehalten wird, bis sich die Maschine entregt hat.

Nach Umschalten von Schaltstellung b) auf Schaltstellung c) wird über das Leitsystem 8 der Umformer 4 über seine Steuerung 9 und einen Ein-Aus-Befehl eingeschaltet. Gleichzeitig wird die Solldrehzahl η ,, für die jeweilige Arbeitsmaschine 10^-10 vorgegeben. Diese Solldrehzahl richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen der Arbeitsmaschinen und wird aus den Zustandsmeldungen M₁-M ermittelt.

Nach Freigabe des Umformers 4 beginnt dieser seine Ausgangsfrequenz mit der aktuellen Drehzahl der Arbeitsmaschine zu synchronisieren. Dies geschieh üblicherweise dadurch, daß man bei konstantem Ausgangsstrom das gesamte Frequenzband durchfährt, bis sich eine Gegenspannung der Maschine ergibt, die anzeigt, daß die Maschine erregt ist. Dieser Suchvorgang kann beschleunigt werden, wenn man von einer Zusatzinformation ausgeht, die den Anfangszustand der Antriebsmaschine berücksichtigt. Nach Synchronisation zwischen Umformerfrequenz und Maschinendrehzahl wird durch Frequenzerhöhung oder Frequenzerniedrigung die durch den Sollwert vorgegebene Arbeitsdrehzahl angefahren. Über einen Sollwertintegrator 11 wird

dabei

dabei die Änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes so begrenzt, daß der Umformernennstrom nicht überschritten wird. Wenn der Sollwert erreicht ist, d.h., wenn die Arbeitsmaschine die gewünschte Drehzahl aufweist, gibt die Umformersteuerung 9 eine Meldung "Sollwert erreicht" (SWE) an das Leitsystem 8. Je nach Drehzahl leitet man hiervon Arbeitsbefehle A- A für die Arbeitsmaschine oder Umschaltbefehle S₁-S ab. so daß

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der Umformer wieder für eine andere Arbeitsmaschine zur Verfügung steht.

Bei Arbeitsmaschinen mit großen Massenträgheitsmomenten ist es besonders vorteilhaft, wenn der Umformer rückspeisefähig ist,, d.h. die gespeicherte mechanische Energie ins Speisenetz 3 zurückspeist. Da man diese rückgespeiste Energie mit geringstmöglichen Verlusten umsetzt, wird über das Ausgangssignal einer Leistungsmesseinrichtung 12 die Rampensteigung so beeinflußt, daß keine Ernergie ins übergeordnete Versorgungsnetz 1 zurückgespeist wird. Der bremsende Antrieb A gibt folglich maximal nur so viel Energie ab, wie die anderen an das allgemeine Speisenetz 3 angeschlossenen Verbraucher gerade aufnehmen können. In Notfällen wird durch das Leitsystem diese Rampenbeeinflussung über das Signal NA abgeschaltet, so daß eine Schnellbremsung mit dem maximalen Umrichterstrom ermöglicht wird.

Sowohl für die Arbeitsmaschinen 1O_n als auch für die An-

1-n

triebsmotoren 6, kann ein mikroprozessorgesteuertes Über— wachungssystem vorgesehen werden. Bei den Arbeitsmaschinen 1O_n_ kann dieses Überwachungssystem Zustandsgrößen erfassen, die mit der Funktion dieser Arbeitsmaschine zusammenhängen, z.B. Förder- oder Durchsatzmenge, Temperatur, Zustand der Lagerung, Zustand der Übertragungselemente (z.B. Keilriemenspannung bei Keilriemenantrieb). Bei den Antriebsmotoren erfasst das Überwachungssystem Temperaturen der Ständerwicklung und des Läufers sowie der Lagerung. Über das Leitsystem 3 kann sichergestellt werden, daß jeweils nur die Antriebsmotoren

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motoren an das Netz oder an den Umformer zugeschaltet werden ₀ deren Zustand aufgrund der Auswertung des Mikroprozessors als optimal zu bezeichnen ist. Das gleiche gilt sinngemäß für die Arbeitsmaschinen. Die Auswahl erfolgt nach den Kriterien der optimalen Einsatzeigenschaften.

Das geschilderte Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine umfangreiche Anlage dar. Selbstverständlich gelten die beschriebenen Gesichtspunkte auch für einfache Antriebe mit beispielsweise nur einer Arbeitsmaschine. Hierbei können aufwendige Leitsystene entfallen, und es genügt eine einfache Umschalteinrichtung zur Umschaltung zwischen Umformer- und Netzbetrieb; diese greift dann ein, wenn Drehzahlen nötig werden, die von der Netzfrequenz abweichen.

Leerseite

Claims

οι Io ϋ 0 H Patentansprüche

1. ) Verfahren zum Speisen einer als Antriebsmotor eingesetzten

Asynchronmaschine, die mit einer weitgeliend konstanten Haupt-Arbeitsdrehzahl im Bereich der auf die Frequenz des allgemeinen Speisenetzes abgestimmten Nenndrehzahl zu arbeiten hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (5, ) auf die Dauer von Beschleunigungs- und Bremsphasen jeweils über einen ihr hierfür einzeln zugeordneten statischen Frequenzumformer (4) unter Frequenzänderung entsprechend dem Drehzahlanstieg bzw. Drehzahlabfall der Maschine (5,_ ) gespeist und jeweils im Anschluß an eine Beschleunigung auf die Haupt-Arbeitsdrehzahl vom Frequenzumformer (4) auf direkte Speisung aus dem allgemeinen Speisenetz (3) umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t daß der Frequenzumformer (4) jeweils so gesteuert wird, daß die an ihn angeschlossene Asynchronmaschine (S₁ ) auch während der Beschleunigungs- und Bremsphasen nur im Nennschlupfbereich arbeitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein rückspeisefähiger Frequenzumformer (4) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (5., ) auch dann über den Frequenzumformer (4) gespeist wird, wenn sie kurzzeitig mit einer von der Haupt-Arbeitsdrehzahl verschiedenen Arbeitsdrehzahl arbeiten soll.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d adurch gekennzeichnet, daß beim Umschalten der laufenden Asynchronmaschine (5_η ) vom Frequenzumformer (4) auf das allgemeine Speisenetz (3) und umgekehrt, zwischen Trennen

nen und Zuschalten eine Sicherheitszeit von solcher Dauer abgewartet wird, daß sich
Speisekreis entregen kann

abgewartet wird, daß sich die Maschine (S₁ ) mit offenem

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d adurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung frequenzumformerseitig dem jeweiligen Belastungszustand der Asynchronmaschine (5, ) angepasst und der Frequenzumformer

(4) hierfür mit mindestens drei verschiedenen Speisespannungen für die Belastungszustände 1/4^ 1/2 und 3/4 Last eingerichtet ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Verwendung von Umformern,, die die Eingeschaft von Stromquellen haben, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Abschalten der Asynchronmaschine (5, ) vom Umformer (4) erst der Umformer (4) elektronisch ausgeschaltet wird.

8. Verfahren zum Speisen einer Gruppe von Asynchronmaschinen unter Anwendung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die mehreren Asynchronmaschinen (5., ) der Gruppe ein einziger Frequenzumformer (4) vorgesehen wird und mit diesem die Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge der einzelnen Maschinen (5. ) sowie ggf. deren kurzzeitigen Arbeitsvorgänge mit von der Haupt-Arbeitsdrehzahl verschiedener Arbeitsdrehzahl - der Reihe nach durchgeführt werden und nach Beendigung des jeweiligen Vorgangs die betreffende Asynchronmaschine (5, ) vom Frequenzumformer (4) abgeschaltet wird, so daß dieser wieder für eine andere Asynchronmaschine (5_Ί ) der Gruppe zur Verfügung steht.

9. Verfahren nach Anspruch 8 mit rückspeisefähigem Frequenzumformer _f dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsvorgänge frequenzumformerseitig abhängig von der Richtung der der Gruppe von Asynchronmaschinen (5.. ) zugeführten

Gesamtleistung

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Gesamtleistung so durchgeführt werden, daß die von der Gruppe aus dem allgemeinen Speisenetz (3) aufgenommene Leistung größer gleich Null ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für Notfälle die Möglichkeit vorgesehen wird, den Abbremsvorgang unabhängig von der Richtung der der Gruppe zugeführten Leistung mit maximalem Bremsmoment durchzuführen .

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r ch gekennzeichnet, daß entscheidende Kenngrößen der anzutreibenden Maschinen(1O₁ ) durch ein mikroprozessorge-

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steuertes Überwachungssystem erfaßt und die zugehörigen Asynchronmaschinen (5., ) selektiv an das Netz (3) bzw. an den Umformer (4) geschaltet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften der Asynchronmaschinen (5.. ) durch ein mikroprozessorgesteuertes Überwachungssystem erfaßt und mit zur Auswahl für die Zuschal tung der optimalen Asynchronmaschine (5., ) herangezogen werden.

13. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Frequenzumformer (4) mit veränderbarer Äusgangsfrequenz und ein der zu speisenden Asynchronmaschine (G^ ) zugeordnetes Schütz (5_n ) mit mindestens zwei Schaltstellun-

1-n

gen (a,c), das die zugehörige Asynchronmaschine (6 ) in der einen Schaltstellung (c) mit dem Ausgang des Frequenzumformers (4) und in der anderen Schaltstellung (a) mit dem allgemeinen Speisenetz (3) verbindet, und durch ein Leisystem (8), das das Schütz (5, ) so steuert, daß es während Beschleunigungs- und Bremsphasen, sowie bei Arbeitsdrehzahlen, die von der im Bereich der Nenndrehzahl

liegenden

liegenden verschieden sind, die eine Schaltstellung (c) und beim Lauf der Asynchronmaschine (6 ) mit Arbeitsdrehzahl im Bereich der Nenndrehzahl die andere Schaltstellung (a) einnimmt.

14. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch einen den mehreren Asynchronmaschinen zugeordneten Frequenzumformer (4) mit veränderbarer Ausgangsfrequenz, für jede Asynchronmaschine (6 ) je ein Schütz (5, ) mit min-

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destens zwei Schaltstellungen (a,c), das die zugehörige Asynchronmaschine (6 ) in der einen Schaltstellung (c) an den Ausgang (7) des Frequenzumformers (4) und in der anderen Schaltstellung (a) an das allgemeine Speisenetz (3) anschließt, und durch ein Leitsystem (8), das von den Schützen (5__ ) jeweils nur eines, und zwar dasjenige zu der Umschaltung in die eine Schaltstellung (c) veranlasst,, dessen zugehörige Asynchronmaschine (6, ) einem Beschleunigungs- oder Bremsvorgang oder einem Arbeitsvorgang mit von der Nenn- Arbeitsdrehzahl verschiedener Arbeitsdrehzahl unterzogen werden soll.