DE3836662A1 - Drehstromregelantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehstromregelantrieb, bestehend aus einem Frequenzumrichter und einem Drehstrommotor.

Derartige Drehstromregelantriebe sind in der Praxis allgemein bekannt.

Drehstromregelantriebe aus Frequenzumrichter und Drehstrommotor haben im Gegensatz zu z.B. mechanischen Verstellgetrieben die Eigenschaft, daß das maximale Drehmoment (im Drehzahlbereich des Konstantfeldbetriebs) konstant ist. Erweitert werden kann dieser Drehmomentbereich bislang nur durch Ausnutzung des Feld­ schwäch-Bereichs oder durch Verwendung von polumschaltbaren Motoren. Beide Erweiterungsmöglichkeiten sind jedoch mit Nach­ teilen behaftet. Wenn der Drehmomentbereich durch Polumschaltung (mit kurzzeitiger Betriebsunterbrechung) erweitert wird, ist ein spezieller Motor mit größerer Bauleistung erforderlich. Die Aus­ nutzung des Feldschwäch-Bereichs bringt den Nachteil einer einge­ schränkten Anwendbarkeit in Verbindung mit Stromzwischenkreis- Umrichtern nach dem Prinzip der Phasenfolgelöschung mit sich, da der Leerlaufstrom abnimmt. Weiterhin sind durch das Kippmoment des Motors physikalische Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Drehzahl- Drehmoment-Regelbereich eines Drehstromregelantriebs der ein­ gangs angegebenen Art zu erweitern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Drehstrom­ motor ist in der Spannung umschaltbar ausgeführt. Der Drehstrom­ motor wird also betriebsmäßig in der Schaltart verändert, so daß sich eine veränderte Klemmenspannung ergibt. Kurze Unterbrechun­ gen des Drehmoments und kurze Betriebsunterbrechungen werden dabei in Kauf genommen. Zum Erzielen eines höheren Drehmoments bei gegebenem Umrichter-Maximalstrom wird beispielsweise auf höhere Klemmenspannung der Maschine umgeschaltet. Zum Erzielen einer höheren Enddrehzahl bei gegebener Umrichterausgangsspan­ nung wird auf niedrigere Klemmenspannung umgeschaltet. Der Dreh­ zahl-Drehmoment-Regelbereich eines Drehstromregelantriebs bzw. Umrichter-Antriebs der eingangs angegebenen Art kann also erwei­ tert werden.

Durch Kombination eines spannungsumschaltbaren Drehstrommotors mit einem geeignet ausgerüsteten Frequenzumrichter wird ein Dreh­ stromregelantrieb geschaffen, der im Bereich konstanten Motor- Flusses einen erweiterten Drehmoment-Drehzahl-Stellbereich be­ sitzt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Der Drehstrommotor kann durch Reihen-Parallel-Umschaltung um­ schaltbar sein. Er kann auch durch Stern-Dreieck-Umschaltung um­ schaltbar sein. Aus Aufwandsgründen bietet sich vorzugsweise Reihen-Parallel-Umschaltung oder Stern-Dreieck-Umschaltung des Drehstrommotors an. Das Besondere an der Anordnung liegt darin, daß die Schaltart des Drehstrommotors praktisch während des Betriebs gewechselt wird.

Vorzugsweise wird der Frequenzumrichter während der Umschaltung kurz stillgelegt. Dies geschieht vorzugsweise elektronisch. Vor­ teilhaft ist es, wenn der Frequenzumrichter nach erfolgter Um­ schaltung des Drehstrommotors selbsttätig wieder die Speisung des Drehstrommotors aufnimmt. Vorteilhaft ist es, wenn der Frequenzumrichter selbsttätig die Grenzen des jeweiligen Be­ triebsbereiches erkennt und die Umschaltung des Drehstrommotors auslöst.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren nach den Ansprü­ chen 7 bis 12.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Dreh­ stromregelantriebs mit mechanischem Verstell­ getriebe,

Fig. 2 eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Dreh­ stromregelantriebs aus Frequenzumrichter und Drehstrommotor,

Fig. 3a ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm bei Pol­ umschaltung,

Fig. 3b ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm bei Aus­ nutzung des Feldschwächbereiches,

Fig. 4a ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm mit Erhöhung der Motor-Nennspannung und

Fig. 4b ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm mit Absenkung der Motor-Nennspannung.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, haben umrichtergespeiste Asynchron-Maschinen prinzipiell gegenüber z.B. mechanischen Ver­ stellgetrieben den Nachteil, daß das verfügbare Drehmoment im Stellbereich konstant ist. Während also - wie in Fig. 1 darge­ stellt - ein Verstellgetriebe bei abgesenkter Drehzahl n bzw. abgesenkter Frequenz f in etwa gleiche Leistung P durch ein entsprechend höheres Drehmoment M überträgt, sinkt - wie in Fig. 2 gezeigt - bei Umrichterantrieben die übertragbare Leistung P linear mit der Drehzahl n bzw. mit der Frequenz f.

Die bisher angewendeten Verfahren, um dieses Verhalten zu ver­ bessern, sind

• a) Polumschaltung (mit kurzzeitiger Betriebsunterbrechung) - Fig. 3a und
• b) Ausnutzung des Feldschwächbereiches (ohne Betriebsunter­ brechung) - Fig. 3b.

Beide Verfahren haben jedoch Nachteile. Der Nachteil besteht bei der Polumschaltung gemäß Fig. 3a darin, daß ein spezieller Motor mit größerer Bauleistung erforderlich ist.

Bei der Ausnutzung des Feldschwächbereiches gemäß Fig. 3b be­ steht eine eingeschränkte Anwendbarkeit in Verbindung mit einem Stromzwischenkreis-Umrichter nach dem Prinzip der Phasenfolge­ löschung, da der Leerlaufstrom abnimmt. Darüberhinaus sind physikalische Grenzen durch das Kippmoment des Motors vorhanden.

Das vorgeschlagene Verfahren besteht darin, bei einem "eintouri­ gen" Motor durch Umschaltung der Schaltart des Motors die Nenn­ anschlußspannung stufig zu verändern, z.B. durch Reihen-Parallel- Umschaltung oder vorzugsweise Stern-Dreieck-Umschaltung. Eine derartige Umschaltung ist mit einer kurzzeitigen Betriebsunter­ brechung verbunden, wie dies auch bei der oben erwähnten Polum­ schaltung der Fall ist. Im folgenden wird ein Beispiel der Reihen-Parallel-Umschaltung dargestellt.

Bei dem Verfahren wird ausgenutzt, daß die Bemessungsleistung P* eines Umrichters sich nach dem Produkt "maximal abgebbarer Strom x maximal abgebbare Spannung" ergibt.

Ausgehend vom Nennpunkt

Leistung P = 1
Strom I = 1
Spannung U = 1
Frequenz f = 1
Drehzahl n = 1

ergeben sich durch Spannungsumschaltung (hier beispielhaft Reihen-Parallel-Schaltung der Wicklung) die beiden folgenden Möglichkeiten:

• a) Erhöhung der Motor-Nennspannung durch Schaltartwechsel, z.B. Faktor 2 durch Wechsel von Parallelschaltung auf Reihenschaltung;
• b) Absenkung der Motor-Nennspannung durch Schaltart­ wechsel, z.B. Faktor 1/2 durch Wechsel von Reihen­ schaltung auf Parallelschaltung.

Mit dem jeweils reziproken Faktor verändert sich der Strombedarf des Motors, d.h.:

• a) 1/2 Strombedarf;
• b) 2 x Strombedarf.

Unter Vernachlässigung des Motor-Blindstromes ergibt sich also die Möglichkeit den Motor

• a) bis n = 1/2 mit M = 2 (Fig. 4a);
• b) bis n = 2 mit M = 1/2 (Fig. 4b) zu betreiben.

Dies ist in den Fig. 4a und 4b dargestellt. ln Fig. 4a ent­ spricht der durchgezogen gezeichnete Punkt PN dem Nennpunkt der Drehzahl n = 1 und dem Nennpunkt des Drehmoments M = 1. Hiervon ausgehend wird der gestrichelt gezeichnete Punkt PN erreicht, bei dem die Drehzahl nur noch halb so groß ist (n = 1/2) und das Drehmoment doppelt so groß ist (M = 2).

Die Fig. 4b zeigt den umgekehrten Fall. Der durchgezogen gezeich­ nete Punkt PN entspricht wieder dem Nennpunkt, also der Nenndreh­ zahl n = 1 und dem Nenndrehmoment M = 1. Hiervon ausgehend wird der gestrichelt gezeichnete Punkt PN erreicht, bei dem die Dreh­ zahl n doppelt so groß ist (n = 2) und bei dem das Drehmoment M halb so groß ist (M = 1/2).

Die Nachteile der üblichen Verfahren (Polumschaltung und Aus­ nutzung des Feldschwächbereiches) werden dabei vermieden. Zur Polumschaltung: Zumindest bei Wahl der Stern-Dreieck-Umschaltung kann ein standardmäßiger Motor mit normaler Bauleistung einge­ setzt werden. Zur Ausnutzung des Feldschwächbereiches: Durch den analog zur Frequenz-Steigerung wachsenden Motor-Leerlaufstrom kann das Verfahren auch bei Stromzwischenkreis-Umrichtern einge­ setzt werden.

Bei Berücksichtigung des Blindstromes der Asynchronmaschine im Strombedarf ist der Gewinn an Stellbereich etwas geringer als oben vereinfacht dargestellt.

Claims (12)

1. Drehstromregelantrieb, bestehend aus einem Frequenzumrichter und einem Drehstrommotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor in der Spannung umschaltbar ausge­ führt ist.

2. Drehstromregelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehstrommotor durch Reihen-Parallel-Umschal­ tung umschaltbar ist.

3. Drehstromregelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drehstrommotor durch Stern-Dreieck-Umschal­ tung umschaltbar ist.

4. Drehstromregelantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter während der Umschaltung vorzugsweise elektronisch kurz still­ gelegt wird.

5. Drehstromregelantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter nach erfolgter Umschaltung des Drehstrommotors selbsttätig wieder die Speisung des Drehstrommotors aufnimmt.

6. Drehstromregelantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter selbsttätig die Grenzen des jeweiligen Betriebsbereiches erkennt und die Umschaltung des Drehstrommotors auslöst.

7. Verfahren zur Erweiterung des Stellbereiches von geregelten Antrieben, speziell von umrichtergespeisten Asynchron- Maschinen, wobei der geregelte Antrieb einen Frequenzum­ richter und einen Drehstrommotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor in der Spannung umgeschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor durch Reihen-Parallel-Umschaltung umgeschal­ tet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor durch Stern-Dreieck-Umschaltung um­ geschaltet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenzumrichter während der Umschaltung vorzugsweise elektronisch kurz stillgelegt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenzumrichter nach erfolgter Umschal­ tung des Drehstrommotors selbsttätig wieder die Speisung des Drehstrommotors aufnimmt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenzumrichter selbsttätig die Grenzen des jeweiligen Betriebsbereiches erkennt und die Umschaltung des Drehstrommotors auslöst.