DE4308836A1 - Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher Frequenz und SpannungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher
Frequenz und Spannung gemäß dem Oberbegriff der nebengeord
neten Ansprüche 1, 2 und 3.
Im Bereich der Industrie- und Traktionsantriebe gibt es
zahlreiche Antriebe, bei denen über einen sehr großen Dreh
zahlstellbereich eine konstante Leistung verlangt wird; als
Beispiel seien Haspelantriebe für Walzeinrichtungen ge
nannt. Der Drehzahlbereich mit konstanter Leistung wird da
bei durch das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem
Spulendurchmesser bestimmt; wegen unterschiedlichen Be
triebsgeschwindigkeiten muß der Betrieb sowohl bei hohen
als auch bei niedrigem Drehzahlbereich möglich sein. Bei
Haspeln wird deshalb häufig ein Umschaltgetriebe verwendet,
um den Betrieb in einen Bereich mit hohem Zug, aber niedri
ger Drehzahl und in einen Bereich mit hoher Drehzahl und
niedrigem Zug aufzuteilen. Bei direkt über einen Stromrich
ter angetriebenen, getriebelosen Haspeln wird ein Drehzahl
stellbereich mit konstanter Leistung (= Zug× Geschwindig
keit) von 1 : 6 und größer benötigt.
In der Regel sind Stellbereiche größer als 1 : 3 mit Dreh
feldmaschinen nicht ohne eine wesentliche Überdimensionie
rung von Motor und/oder Frequenzumrichter zu realisieren.
Wird ein Drehfeldmotor mit einer der Frequenz proportiona
len Spannung betrieben, so kann über diesen Frequenzbereich
eine konstantes Moment abgegeben werden; für weitere Dreh
zahlerhöhung entsprechend einer Frequenzerhöhung kann eine
konstante Leistung abgegeben werden (siehe Fig. 1,
U = Spannung, P = Leistung, M = Moment, n = Drehzahl).
Der Bereich mit konstanter Leistung bei konstanter Spannung
wird begrenzt durch Stabilitätsprobleme sowie schlechter
werdender Qualität von Dynamik und Regelgüte. Bei der Asyn
chronmaschine verringert sich in diesem Bereich das Kippmo
ment quadratisch mit der Frequenzsteigerung und bei kon
stanter Spannung (siehe Fig. 3, Mkipp = Kippmoment), bei
dem Synchronmotor dagegen linear (siehe Fig. 2). Es ist
bekannt, daß durch Erweiterung des Bereiches "Frequenz pro
portional der Spannung" diese Antriebsanforderungen zu lö
sen sind, allerdings auf Kosten einer Überdimensionierung
von Motor und/oder Stromrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter verän
derlicher Frequenz und Spannung der eingangs genannten Art
anzugeben, das durch Ausnutzung von Maschineneigenschaften
im Zusammenhang mit stromrichterspezifischen Eigenschaften
eine Überdimensionierung von Motor und/oder Stromrichter
vermeidet bzw. zumindest eine Überdimensionierung wesent
lich reduziert.
Diese Aufgabe wird alternativ in Verbindung mit den Merkma
len des Oberbegriffs erfindungsgemäß durch die in den Kenn
zeichen der Ansprüche 1, 2 und 3 angegebenen Merkmale ge
löst.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß sich durch Um
schaltung der Maschinenwicklung von Stern- auf Dreieck
schaltung bei unterschiedlichen Werten von Spannung und
Strom (Faktor = 1,73) die gleiche Leistung bei gleicher
Frequenz erzielen läßt. Es ist ferner bekannt, daß sich
mittels Umschaltung der Polpaarzahl die Drehzahl bei glei
cher Speisefrequenz verändern läßt.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß der Drehzahlstellbereich optimiert
(vergrößert) wird, indem die Charakteristik einer Kombina
tion eines geeigneten Stromrichters mit einem geeigneten
Drehfeldmotor durch Umschalteinrichtungen verändert wird,
ohne daß dabei eine mechanische Getriebeschaltung einzuset
zen oder der Stromrichter bzw. der Drehfeldmotor höher zu
dimensionieren wären (Minimierung der Antriebskomponenten).
Dabei kann die Umschaltung sowohl in Betriebspausen als
auch während des Betriebes erfolgen. Es können sowohl Ein
zel- als auch Mehrmotorenantriebe aus einer Speiseeinheit
versorgt werden.
Der Antrieb verhält sich bei Stern/Dreieck-Umschaltung so,
als wäre ein mechanisches Umschaltgetriebe mit einer Über
setzung von 1,73 vorhanden. Mittels Polumschaltung und
Wicklungsumschaltung lassen sich andere Umschaltgetriebe
übersetzungen (z. B. 2,0) realisieren.
Die Erfindung läßt sich mit folgenden Antriebskomponenten
verwirklichen:
Frequenzumformer elektrischer Art wie Direktumrichter, Um
richter mit Gleichspannungszwischenkreis, Drehfeldmotoren
wie Synchronmotoren, Asynchronmotoren, Wechselstrommotoren,
Umschalteinrichtungen wie mechanische Schaltgeräte oder
elektronische Schalter.
Da der nicht überdimensionierte Drehfeldmotor im Verhältnis
zu einem überdimensionierten Motor ein kleineres Trägheits
moment hat, ergibt sich eine optimale Regelung (Dynamik).
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 4 einen über eine Stern/Dreieck-Umschalt
einrichtung gespeisten Drehfeldmotor,
Fig. 5 einen über eine Pol-Umschalteinrichtung
gespeisten Drehfeldmotor,
Fig. 6 bis 8 einen über eine Wicklungs-Umschaltein
richtung gespeisten Drehfeldmotor und die
beiden möglichen Betriebszustände,
Fig. 9 die Verläufe von Spannung, Leistung und
Moment in Abhängigkeit der Drehzahl für
eine Schaltungsanordnung mit Stern/Drei
eck-Umschalteinrichtung gemäß Fig. 4.
In Fig. 4 ist ein über eine Stern/Dreieck-Umschalteinrich
tung gespeister Drehfeldmotor dargestellt. Es ist ein
Stromrichter 1 zu erkennen, dessen Einspeiseanschlüsse 2
mit einem Netz 34 verbunden sind und dessen Lastanschlüsse
3 an einer Stern/Dreieck-Umschalteinrichtung 4 liegen. An
diese Umschalteinrichtung 4 sind andererseits die Klemmen
der Ständerwicklungsstränge 5, 6, 7 eines Drehfeldmotors 8
angeschlossen. Durch entsprechende Verschaltung der Stän
derwicklungsstränge 5, 6, 7 mit den Lastanschlüssen 3 kann
der Drehfeldmotor 8 in Sternschaltung oder in Dreieckschal
tung betrieben werden. Eine Steuer- und Regeleinrichtung 9
dient zur Steuerung/Regelung des Stromrichters 1 sowie zur
Ansteuerung der Umschalteinrichtung 4. Hierzu liegen der
Steuer- und Regeleinrichtung 9 neben der Drehzahl n des
Drehfeldmotors 8 weitere, nicht gezeigte Sollwertgrößen und
Meßgrößen an.
In einem unteren Drehzahlbereich I von n = O bis zu
n = 3nStern wird der Drehfeldmotor 8 in Sternschaltung be
trieben, wobei nStern der Grunddrehzahl bei Sternschaltung
entspricht. In einem oberen Drehzahlbereich II von
n = nDreieck = 1,73 nStern bis zu
n = 3nDreieck = 3×1,73×nStern wird der Drehfeldmotor 8
in Dreieckschaltung betrieben, wobei nDreieck der Grund
drehzahl bei Dreieckschaltung entspricht. Zur Betriebsweise
im einzelnen wird auf Fig. 9 verwiesen.
In Fig. 5 ist ein über eine Pol-Umschalteinrichtung ge
speister Drehfeldmotor dargestellt. Es sind wiederum Strom
richter 1, Netz 34 und Steuer- und Regeleinrichtung 9 zu
erkennen, wobei die Lastanschlüsse 3 des Stromrichters 1
einer Pol-Umschalteinrichtung 10 zugeleitet sind. An diese
Umschalteinrichtung 10 sind andererseits die Klemmen von
Ständerspulen 11 bis 16 eines polumschaltbaren Drehfeldmo
tors 17 angeschlossen. Durch entsprechende Verschaltung der
Spulengruppen 11 bis 16 mit den Lastanschlüssen 3 ergeben
sich zwei verschiedene Polpaarzahlen im Verhältnis 1 : 2. Die
Steuer- und Regeleinrichtung 9 bewirkt neben der Ansteu
erung des Stromrichters 1 die entsprechende Ansteuerung der
Umschalteinrichtung 10 in Abhängigkeit des gewählten Dreh
zahlbereiches (Drehzahl n).
In einem unteren Drehzahlbereich wird der Drehfeldmotor 17
mit großer Polpaarzahl und den Nenndaten Nennspannung UN,
Nennstrom IN, Nennfrequenz fN betrieben. In einem oberen
Drehzahlbereich erfolgt der Betrieb des Drehfeldmotors mit
kleiner Polpaarzahl und den Nenndaten UN, IN, 2fN.
In Fig. 6 ist ein über eine Wicklungs-Umschalteinrichtung
gespeister Drehfeldmotor dargestellt. Es sind zwei Strom
richter 18 bzw. 19 zu erkennen, die einen wicklungsum
schaltbaren Drehfeldmotor 21 über eine Wicklungs-Umschalt
einrichtung 20 speisen. Die Einspeiseanschlüsse 22 bzw. 24
der Stromrichter 18 bzw. 19 liegen am Netz 34. Die Lastan
schlüsse 23 bzw. 25 der Stromrichter 18 bzw. 19 sowie die
Klemmen der Ständerwicklungsstränge 26 bis 31 des Drehfeld
motors 21 sind an die Wicklungs-Umschalteinrichtung 20 an
geschlossen. Die Wicklungsstränge 26, 29 bzw. 27, 30 bzw.
28, 31 liegen jeweils in den gleichen Nuten. Eine Steuer-
und Regeleinrichtung 32, der eingangsseitig neben der Dreh
zahl n des Drehfeldmotors 21 weitere, nicht gezeigte Soll
wertgrößen und Meßgrößen anliegen, dient zur Ansteuerung
der Stromrichter 18, 19 und der Umschalteinrichtung 20.
Durch Umschaltung ergeben sich im unteren bzw. oberen
Drehzahlbereich die Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 7
bzw. 8.
In Fig. 7 ist der in einem unteren Drehzahlbereich be
wirkte Betriebszustand dargestellt. An einem Netz 35 liegen
die Primärwicklungen von drei Drehstrom-Stromrichtertrans
formatoren 36, 37, 38, wobei die beiden Sekundärwicklungen
des Transformators 36 mit zwei Teil-Stromrichtern 39, 42,
die beiden Sekundärwicklungen des Transformators 37 mit
zwei Teil-Stromrichtern 40, 43 und die beiden Sekundärwick
lungen des Transformators 38 mit zwei Teil-Stromrichtern
41, 44 verbunden sind. Die Ständerwicklungsstränge 26 bis
28 bzw. 29 bis 31 sind jeweils in Stern geschaltet und mit
den Lastanschlüssen der Teil-Stromrichter verbunden. Wie zu
erkennen ist, erfolgt im unteren Drehzahlbereich ein Paral
lelbetrieb beider Sternwicklungen 26 bis 28 und 29 bis 31
über jeweils eigene Teil-Stromrichter: Nennspannung UN,
Nennstrom 2IN, Nennleistung PN, Nennfrequenz fN.
In Fig. 8 ist der in einem oberen Drehzahlbereich bewirkte
Betriebszustand dargestellt. Am Netz 35 liegen wiederum die
Primärwicklungen der drei Drehstrom-Stromrichtertransforma
toren 36, 37, 38, wobei die beiden Sekundärwicklungen des
Transformators 36 mit den Teil-Stromrichtern 39, 40, die
beiden Sekundärwicklungen des Transformators 37 mit den
Teil-Stromrichtern 41, 42 und die beiden Sekundärwicklungen
des Transformators 38 mit den Teil-Stromrichtern 43, 44
verbunden sind. Die Umschaltung im oberen Drehzahlbereich
bewirkt eine Hintereinanderschaltung beider Stromrichter
18, 19 gemäß Fig. 6 zur Speisung einer einzigen Sternwick
lung des Drehfeldmotors 21. Bei Reihenschaltung beider
Stromrichter im oberen Drehzahlbereich ergibt sich eine ma
ximal doppelte Stromrichter-Ausgangsspannung 2UN an den
Klemmen der nunmehr einzigen Sternwicklung im Vergleich zum
unteren Drehzahlbereich, jedoch nur bei einem Strom IN, mit
dem im unteren Drehzahlbereich jeweils ein Motorstern be
aufschlagt wird. Die Leistung PN bleibt bei der Umschaltung
vom unteren in den oberen Drehzahlbereich während des Be
triebes gleich. Bei Verwendung von einem Motorstern kann im
oberen Drehzahlbereich bei doppelter Frequenz und doppelter
Spannung die gleiche Leistung (halbes Moment, doppelte
Drehzahl) erzielt werden, wobei der Fluß in der Maschine
und damit das mögliche Kippmoment bei 100% liegen.
In Fig. 9 sind die Verläufe von Spannung, Leistung und Mo
ment in Abhängigkeit der Drehzahl für eine Schaltungsanord
nung mit Stern/Dreieck-Umschalteinrichtung gemäß Fig. 4
dargestellt. Dabei handelt es sich um einen Haspelantrieb
für eine Walzeinrichtung. Für den unteren Drehzahlbereich
I, in dem der Drehfeldmotor 8 in Sternschaltung betrieben
wird, sind die Spannung UStern bei Sternschaltung, die Lei
stung PStern bei Sternschaltung und das Moment MStern bei
Sternschaltung in Abhängigkeit der Drehzahl n gezeigt. Bei
der Grunddrehzahl nStern werden die Nennspannung UN und die
Nennleistung PN erreicht. Im Drehzahlbereich zwischen Dreh
zahl 0 und nStern liegen lineare Spannungs/Frequenz- und
Leistungs/Frequenzabhängigkeiten bei kostantem Moment vor.
Im Drehzahlbereich zwischen nStern und 3nStern sind sowohl
Spannung als auch Leistung konstant, während das Moment ab
fällt.
Für den oberen Bereich II, in dem der Drehfeldmotor in
Dreieckschaltung betrieben wird, sind die Spannung UDreieck
bei Dreieckschaltung, die Leistung -Dreieck bei Dreieck
schaltung und das Moment MDreieck bei Dreieckschaltung in
Abhängigkeit der Drehzahl n gezeigt. Bei der Grunddrehzahl
nDreieck werden die Nennspannung UN und die Nennleistung PN
erreicht. Im Drehzahlbereich zwischen Drehzahl 0 und nDreieck
liegen lineare Spannungs/Frequenz- und Leistungs/Fre
quenz-Abhängigkeiten bei konstantem Moment vor. Im Dreh
zahlbereich zwischen nDreieck und 3nDreieck sind sowohl
Spannung als auch Leistung konstant, während das Moment ab
fällt.
Bei dickem Band wird etwa mit hohem Zug bei halber Maximal
geschwindigkeit gewalzt (unterer Drehzahlbereich I, Stern
schaltung). Der Stromrichter 1 stellt für den Drehzahlbe
reich I mit konstantem Moment Spannung und Frequenz so ein,
daß bei nStern Stromrichternennspannung erreicht wird.
Oberhalb von nStern steht bis etwa 3nStern eine konstante
Leistung zur Verfügung. Für den Bereich mit niedrigem Zug
und Maximalgeschwindigkeit (z. B. beim Walzen eines dünnen
Bandes, oberer Drehzahlbereich II, Dreieckschaltung) wird
der Stromrichter derart betrieben, daß die Stromrichter
nennspannung erst bei nDreieck = 1,73 nStern erreicht wird.
Bis etwa 3nDreieck = 3×1,73 nStern steht dann eine kon
stante Leistung zur Verfügung.
Erfolgt die Stern/Dreieck-Umschaltung auch während des Be
triebes (bei einer Drehzahl zwischen nDreieck und 3nStern)
steht ein Bereich von nStern bis 3×1,73 nStern mit kon
stanter Leistung zur Verfügung ohne daß Drehfeldmotor und
Stromrichter überdimensioniert werden müssen oder ein me
chanisches Getriebe einzusetzen ist.
Allgemein ermöglichen die vorstehend erläuterten Umschalt
einrichtungen eine Erweiterung des Drehzahlstellbereiches
bei konstanter Leistung von Drehstromantrieben mit Strom
richterspeisung durch Umschalten von Motorwicklungen im
Sinne eines "elektrischen Getriebes". Dabei müssen die Mo
tor- und Lastcharakteristiken an die jeweils aktuelle Mo
torwicklungs-Schaltung angepaßt werden. Gleiches gilt für
Schutzeinrichtungen sowie für Meßwertgeber sowie Meßwer
taufnehmer (Sensoren).
Über die Umrichtersteuerung mittels Steuer- und Regelein
richtungen 9, 39 werden sowohl die Antriebsparameter als
auch die Spannungskennlinie bei einer Wicklungsumschaltung
während des Betriebes derart umgeschaltet, daß Momenten
sprünge minimiert werden.
Claims (6)
1. Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit ei
nem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung, da
durch gekennzeichnet, daß der Drehfeldmotor in einem unte
ren Drehzahlstellbereich bei konstanter Leistung und rela
tiv hohem Moment in Sternschaltung und in einem oberen
Drehzahlstellbereich bei konstanter Leistung und relativ
niedrigem Moment in Dreieckschaltung betrieben wird.
2. Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit ei
nem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung, wo
bei der Drehfeldmotor eine polumschaltbare Wicklung auf
weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehfeldmotor in ei
nem unteren Drehzahlstellbereich bei konstanter Leistung
und relativ hohem Moment mit relativ großer Polpaarzahl und
in einem oberen Drehzahlstellbereich bei konstanter Lei
stung und relativ niedrigem Moment mit relativ kleiner Pol
paarzahl betrieben wird.
3. Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit
zwei Stromrichtern veränderlicher Frequenz und Spannung,
wobei der Drehfeldmotor zwei Sternwicklungen aufweist, da
durch gekennzeichnet, daß der Drehfeldmotor in einem unte
ren Drehzahlstellbereich bei konstanter Leistung und rela
tiv hohem Moment mit zwei parallelen, jeweils über eigene
Stromrichter gespeiste Sternwicklungen und in einem oberen
Drehzahlstellbereich bei konstanter Leistung und relativ
niedrigem Moment mit einer einzigen, über zwei serienge
schaltete Stromrichter gespeisten Sternwicklung betrieben
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Motor- und Lastcharakteristi
ken an die jeweils aktuelle Motorwicklungs-Schaltung ange
paßt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Charakteristiken von Schutz
einrichtungen und/oder Meßwertgebern und/oder Meßwertauf
nehmern an die jeweils aktuelle Motorwicklungs-Schaltung
angepaßt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Antriebsparameter und/oder
die Spannungskennlinie derart bei einer Wicklungsumschal
tung während des Betriebes umgeschaltet werden, daß Momen
tensprünge minimiert werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4308836A DE4308836A1 (de) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4308836A DE4308836A1 (de) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4308836A1 true DE4308836A1 (de) | 1994-09-22 |
Family
ID=6483248
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4308836A Withdrawn DE4308836A1 (de) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4308836A1 (de) |
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1993
- 1993-03-19 DE DE4308836A patent/DE4308836A1/de not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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