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Antriebseinrichtung mit einem oder mehreren Kurzschlussläufermotoren
Es ist bekannt, dass die Drehzahl und das Drehmoment von Kurzschlussläufermotoren am besten durch die Änderung der Frequenz und der Höhe der Speisespannung geregelt werden können und dass die veränderliche Speisespannung aus der Netzspannung über elektronische Speiseeinrichtungen (Frequenz-. wandler) erzeugt werden kann. Diese Speiseeinrichtungen verwenden gesteuerteQuecksilberdampfgleich- i richter oder gesteuerte Halbleitergleichrichter. Der Aufwand für diese Gleichrichter selbst sowie für die regelnde Elektronik ist verhältnismässig gross, so dass die praktische Anwendung dieser an sich sehr vor- teilhaften Antriebsart dadurch behindert wird.
Es ist das Ziel der Erfindung, den Aufwand im Regel- und Leistungsteil der Speiseeinrichtung zu vermindern. Dies wird bei einer Antriebseinrichtung mit einem oder mehreren Kurzschlussläufermotoren, deren Drehzahl und bzw. oder Drehmoment durch Änderung der Frequenz und der Höhe der Speisespan- nung geregelt wird, wobei diese Speisespannung über elektronische Frequenzwandler, vorzugsweise mit gesteuerten Halbleitergleichrichtern, erzeugt wird, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass dieser Fre- quenzwandler rein elektronisch und als aus zwei gleichen einphasigen Baugruppen bestehender Um- richter für beide Stromrichtungen (ohne Gleichstromzwischenkreis) ausgebildet ist, dessen eine Gruppe von der einen Phase eines Zweiphasennetzes höherer Frequenz als die normale Netzfrequenz (50 bzw.
60 Hz)
gespeist wird und eine Phase veränderlicher Frequenz erzeugt und dessen zweite Gruppe von der andern Phase des Zweiphasennetzes gespeist wird und die zweite Phase veränderlicher Frequenz erzeugt, wobei die Ausgangsspannungen veränderlicher Frequenz der beiden Baugruppen des Umrichters um 90 gegeneinander phasenverschoben sind. Die Bemessung des Leistungsteiles für die Gesamtleistung wird da- durch zwar nicht geändert, aber die Zahl der Elemente wird gegenüber der dreiphasigen Ausführung auf zwei Drittel verringert, so dass statt drei Gruppen für je ein Drittel der Gesamtleistung nur zwei Grup- pen, allerdings für je die Hälfte der Gesamtleistung aufzustellen sind. Noch günstiger liegen die Ver- hältnisse im elektronischen Regelungsteil, dessen Elemente weitgehend unabhängig von der Grösse der
Endleistungsstufe zu bemessen sind.
Da hier dieselbe Ausrüstung nur für zwei Phasen statt für drei Phasen aufzustellen ist, beträgt die Ersparnis etwa ein Drittel. Die Zweiphasenspannung veränderlicher Grösse und Frequenz kann über einen Zweiphasen/Dreiphasentransformator, z. B. in Scottschaltung, in Drei- phasenspannung umgewandelt werden, an die normale dreiphasige Kurzschlussläufermotoren angeschlos- sen sind. Es können aber auch zweiphasig bewickelte Kurzschlussläufermotoren unmittelbar an den zwei- phasigen Frequenzwandler angeschlossen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhafter als die Zwi- schenschaltung eines Transformators, wenn der Frequenzregelbereich sehr weit gegen kleine Frequenzen geht.
Wegen der frequenzunabhängigen ohmschen Spannungsabfälle im Motor muss nämlich die Spannung an seinen Klemmen bei kleiner werdender Frequenz so geregelt werden, dass sie nicht proportional zur
Frequenz, sondern nur weniger abnimmt. Dies bedingt, dass der Transformator stark überdimensioniert werden müsste.
Es ist bekannt, dass Stellmotoren zweckmässig für Zweiphasenbetrieb eingerichtet werden, indem
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sie eine Grundphase und eine Steuerphase mit Mittelanzapfung erhalten, die beide mit Spannung von Netzfrequenz gespeist werden. Die Steuerphase ist gegen die Grundphase um 90 phasenverschoben und die Drehrichtung des Motors hängt davon ab, welche der beiden Steuerphasenhälften mit der Grundphase zusammenarbeitet. Das Umschalten kann mit elektronischen Schaltelementen erfolgen, die ausserdem durchAnschnittsteuerung das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Motors, nicht aber die Speisefrequenz, verändern. Für dieGrundphase und jede Hälfte der Steuerphase ist eine solche Gruppe von elektronischen Schaltelementen erforderlich, im ganzen also drei.
Im Gegensatz dazu bezieht sich die Erfindung auf die Speisung von Kurzschlussläufermotoren mit veränderlicher Frequenz und sie ermöglicht die Verminderung der Gruppen elektronischer Elemente auf zwei.
Der elektronische Frequenzwandler kann primär mit Dreiphasenspannung von Netzfrequenz gespeist werden. Die Oberwellen der Sekundärfrequenz liegen dann z. B. bei dreiphasiger Brückenschaltung, bei 300 Hz und es werden je Phase der Sekundärspannung zwölf gesteuerte Ventile, insgesamt vierundzwanzig gebraucht.
Die Zahl der Ventile wird weiter verringert, womit auch der Aufwand für die Regelungselektronik entscheidend abnimmt, wenn im Sinne der Erfindung die Frequenzwandlung nur einphasig durchgeführt wird, wobei die Anspeisefrequenz höher als die Netzfrequenz (50 bzw. 60 Hz) gewählt wird. Bei 150 Hz Speisefrequenz undVollwellenbetrieb liegen die Oberwellen der Spannung veränderlicher Frequenz wieder bei 300 Hz, wobei aber je Phase veränderlicher Frequenz nur vier Ventile gebraucht werden, insgesamt also acht. Dabei ist die speisende Spannung im Sinne der Erfindung ebenfalls zweiphasig, so dass jede Phase der Speisespannung einer Phase der Spannung veränderlicher Frequenz zugeordnet werden kann.
Die Gesamtleistung beider Phasen der Spannung veränderlicher Frequenz ist zeitlich ebenso konstant, wie die Gesamtleistung beider Phasen der speisenden Spannung höherer Frequenz.
Beim bekannten Umrichten zum Betrieb eines Dreiphasenmotors mit Dreiphasenspannung veränderlicherFrequenz, die aus einemDreiphasennetz konstanter Industriefrequenz (50 bzw. 60 Hz) durch sechsspuliges Umrichten gewonnen wird, werden 36 Leistungsventile gebraucht. Beim erfindungsgemässen Umrichten zum Betrieb eines Zweiphasenmotors (oder Dreiphasenmotors mit Zweiphasen/Dreiphasentransformator) mit Zweiphasenspannung veränderlicher Frequenz, die aus einem Zweiphasennetz konstanter, höherer Frequenz, vorzugsweise 150 Hz, durch Vollwellen-Umrichten gewonnen wird, werden acht Leistungsventile gebraucht. Entsprechend geringer ist auch der Aufwand der Regelungselektronik.
In beiden Fällen ist die niedrigste Oberwellenfrequenz 300 Hz.
Die Verwendung einer Spannung höherer Frequenz zum Speisen des Frequenzwandlers ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn diese höherfrequente Spannung, die ja aus dem Industrienetz normaler Frequenz (50 bzw. 60 Hz) durchumformer gewonnen werden muss, für mehrereFrequenzwandler gemeinsam verwendet werden kann. Der Umformer kann ein Maschinenumformer sein oder mit elektronischen Regel- und Leistungsstufen arbeiten.
Die Erfindung kann ebenso angewendet werden, wenn die veränderliche Frequenz nicht durch Umrichten aus einer konstanten Frequenz, sondern durch Wechselrichten aus Gleichspannung erfolgt. Beim Speisen aus einemGleichstrom-Dreileiternetz werden je Phase der Spannung veränderlicherFrequenz nur vier, insgesamt also acht Leistungsventile gebraucht. Dazu kommen, wenn es ein Wechselrichter mit Kondensatorlöschung der Ventile ist, allerdings noch die Löschventile. Jedenfalls ist der Aufwand für die erfindungsgemässe zweiphasige Ausführung viel geringer als für eine dreiphasige Ausführung.
Das Gleichstrom-Dreileiternetz kann, ebenso wie es oben für das 150 Hz-Zweiphasennetz beschrieben ist, mehreren elektronischen Einrichtungen zum Erzeugen veränderlicher Frequenz gemeinsam sein.
In der Fig. 1 ist die Schaltung für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der Frequenzwandler 1 enthält zwei gleiche Gruppen 2 und 3 von gesteuerten Halbleiterelementen, die so gesteuert sind, dass die Ausgangsspannung veränderlicher Frequenz zweiphasig ist. Sie speist den zweiphasig gewickelten Ständer eines Kurzschlussläufermotors 4, in dem sie genau so ein Drehfeld erzeugt, wie dies ein Dreiphasenstrom in einem dreiphasigen Ständer tut. Jede der beiden Gruppen 2 und 3 enthält vier gesteuerte Ventile 5-8 bzw. 9-12, die mit einem induktiven Spannungsteiler 13 bzw. 14 mit Mittelanzapfung in Vollwegschaltung für beide Stromrichtungen zusammengeschaltet sind. Statt des Spannungsteilers könnte auch ein Transformator mit getrennten Wicklungen verwendet werden. Die Anspeisung erfolgt von einem Synchrongenerator 15, der eine Zweiphasenspannung mit 150 Hz erzeugt.
Beide Gruppen 2 und 3 des Frequenzwandlers 1 könnten auch an dieselbe Phase des Generators 15 angeschlossen sein, doch ist die Aufteilung im Sinne symmetrischer
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Belastung vorteilhafter. Die Generatorwicklungen können auch selbst eine Mittelanzapfung haben, so dass die Spannungsteiler 13, 14 entfallen. Der Generator 15 wird von einem Motor 16 angetrieben, der an das normale Industrienetz 3 x 50 Hz angeschlossen ist und der als Synchron- oder als Asynchronmotor ausgeführt sein kann.
Fig. 2 zeigt die Bildung derZweiphasenspannung veränderlicher Frequenz aus der 150 Hz-Spannung, u. zw. für den Fall, dass die veränderliche Frequenz 16 2/3 Hz beträgt. Die Phase I 16 2/3 Hz wird aus der Phase I 150 Hz durch Anschnittsteuerung gewonnen, so dass eine Halbwelle 16 2/3 Hz aus neunHalbwellen 150 Hz besteht. ImMaximum der Halbwelle 16 2/3 Hz sinddieHalbwellen 150 Hz voll geöffnet, da bei 16 2/3 Hz die grösste Spannung gebraucht wird. Bei kleinerer Frequenz ist der notwendige Maximalwert der Spannung für den Motor 4 kleiner und die 150 Hz Halbwellen werden daher auch im Maximum nicht voll ausgesteuert.
Die Phase n 16 2/3 Hz wird aus der Phase 11 150 Hz gebildet, die gegen die Phase I 150 Hz, auf 150 Hz bezogen, um 900 versetzt ist. Dies ist für die Bildung der 16 2/3 Hz unwesentlich.
Die Ventile sind also so gesteuert, dass das Spannungsmaximum der 16 2/3 Hz-Spannung gegen das der Phase I um 90 , bezogen auf 16 2/3 Hz, versetzt ist. Die niederste Ordnungszahl der Oberwellen der 16 2/3 Hz-Spannung ist 2 entsprechend 2 x 150 = 300 Hz. Sie können durch Drosseln geglättet werden und es kann eine noch höhere Speisefrequenz als 150 Hz verwendet werden, um sie unschädlich zu machen.