DE4308836A1

DE4308836A1 - Verfahren zum Betrieb eines Drehfeldmotors mit einem Stromrichter veränderlicher Frequenz und Spannung

Info

Publication number: DE4308836A1
Application number: DE4308836A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl Ing Herrmann
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1994-09-22

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, M_kipp = 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 = 3n_Stern wird der Drehfeldmotor 8 in Sternschaltung be trieben, wobei n_Stern der Grunddrehzahl bei Sternschaltung entspricht. In einem oberen Drehzahlbereich II von n = n_Dreieck = 1,73 n_Stern bis zu n = 3n_Dreieck = 3×1,73×n_Stern wird der Drehfeldmotor 8 in Dreieckschaltung betrieben, wobei n_Dreieck 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 U_N, Nennstrom I_N, Nennfrequenz f_N 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 U_N, Nennstrom 2I_N, Nennleistung P_N, Nennfrequenz f_N.

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 2U_N an den Klemmen der nunmehr einzigen Sternwicklung im Vergleich zum unteren Drehzahlbereich, jedoch nur bei einem Strom I_N, mit dem im unteren Drehzahlbereich jeweils ein Motorstern be aufschlagt wird. Die Leistung P_N 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 U_Stern bei Sternschaltung, die Lei stung P_Stern bei Sternschaltung und das Moment M_Stern bei Sternschaltung in Abhängigkeit der Drehzahl n gezeigt. Bei der Grunddrehzahl n_Stern werden die Nennspannung U_N und die Nennleistung P_N erreicht. Im Drehzahlbereich zwischen Dreh zahl 0 und n_Stern liegen lineare Spannungs/Frequenz- und Leistungs/Frequenzabhängigkeiten bei kostantem Moment vor. Im Drehzahlbereich zwischen n_Stern und 3n_Stern 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 U_Dreieck bei Dreieckschaltung, die Leistung -Dreieck bei Dreieck schaltung und das Moment M_Dreieck bei Dreieckschaltung in Abhängigkeit der Drehzahl n gezeigt. Bei der Grunddrehzahl n_Dreieck werden die Nennspannung U_N und die Nennleistung P_N erreicht. Im Drehzahlbereich zwischen Drehzahl 0 und n_Dreieck liegen lineare Spannungs/Frequenz- und Leistungs/Fre quenz-Abhängigkeiten bei konstantem Moment vor. Im Dreh zahlbereich zwischen n_Dreieck und 3n_Dreieck 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 n_Stern Stromrichternennspannung erreicht wird. Oberhalb von n_Stern steht bis etwa 3n_Stern 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 n_Dreieck = 1,73 n_Stern erreicht wird. Bis etwa 3n_Dreieck = 3×1,73 n_Stern steht dann eine kon stante Leistung zur Verfügung.

Erfolgt die Stern/Dreieck-Umschaltung auch während des Be triebes (bei einer Drehzahl zwischen n_Dreieck und 3n_Stern) steht ein Bereich von n_Stern bis 3×1,73 n_Stern 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

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.