DD216586A1 - Drehfrequenz-verstellung fuer sterngeschaltete dreiphasen-drehfeld-motoren oder -motorgruppen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herabsetzung der Umlauffrequenz des Drehfeldes von Dreiphasen-Drehfeld-Motoren oder -Motorgruppen, d.h. Synchron- oder Asynchron-Drehstrom-motoren in Sternschaltung bei fest vorgegebener Netzfrequenz. Es ist d. Ziel der Erfindung, die feinstufige Herabsetzung der Umdrehungszahlen von Dreiphasen-Drehfeld-Motoren, insbesondere Asynchron-Drehstrom-Motoren fuer weite Leistungsbereiche so einfach und kostenguenstig zu gestalten, dass sie in einer Vielzahl von Faellen durchgesetzt werden kann und bei tieferen Umdrehungszahlen Energie einspart. Die Aufgabe besteht darin, Moeglichkeiten anzugeben, dass derartige Motoren ohne konstruktive Aenderungen am Motor, ohne Hilfsphasen-Kondensatoren, ohne Widerstaende im Leistungskreis, ohne besondereOszilliersysteme m. entsprechenden Referenzfrequenzen und ohne kostenaufwendige Mess-, Steuer- und Regeltechnik mit feinabgestuften tieferen Umdrehungszahlen betrieben werden koennen. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass die in einem Dreiphasen-Netz in definierter zeitlicher Folge anliegenden Leistungsimpulse durch zwei Gruppen elektrischer Ventile entgegen ihrer Zuordnung zu den drei Straengen des Ausgangsnetzes in unterschiedlichen Rhythmus auf die drei Straenge des motorinternen Netzes eingespeist werden.

Description

Drehfrequenz-Verstellung fur sterngeschaltete Dreiphasen-Drehfeld-Motoren oder -Motorgruppen ^N

.Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft-die Herabsetzung der Umlauffrequenz 'des Drehfeldes von Dreiphasen-Drehfeld-Motoren oder -Motorgruppen, d.h. Synchron- oder Asynchron-Drehstrom-Motoren in Sternschaltung bei fest vorgegebener ITetzfrequenz. Sie gestattet,. Drehstrom-Motoren in Anlagen, Maschinen und Geräten auf tiefere Umdrehungszahlen umzuschalten bzw. über diese tieferen Umdrehungszahlen sanft anlaufen zu lassen.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Seit langem gibt es Bemühungen, Drehfeld-Motoren mit anderen Umdrehungszahlen zu betreiben, als sie sich zwangsläufig aus der ITetzfrequenz ergeben. '

Die klassische Art der Drehfrequenz-Untersetzung beruht auf einer Erhöhung der Polzahl. In besonderer Weise ausgebildete Drehfeldwicklungen werden entweder fest verschaltet (eine einzige tiefere Umdrehungszahl) oder über entsprechende Schalter bzw. Schützensteuerungen in Dahiander-Schaltungen (DAS FACHWISSEN DES IHGEUISURS, Ed. UI, S. 239, Fachbuchverlag Leip- ' zig 1967) umgeschaltet, die bis zu vier in ganzzahligem Verhältnis zueinander stehende Drehzahlen bereitstellen. Dem Vorteil der Drehzahlsenkung bzw. -umschaltung steht eine bedeutende Vergrößerung des Motors gegenüber. Das bedingt einen wesentlich höheren Materialeinsatz und Kostenaufwand sowie größeren Platzbedarf bei Aufstellung bzw. Einbau.

Asynchron-Drehfeld-Mo "toren mit Hilfsphasen-Kondensator können durch einen zum Hilfsphasen-Kondensator parallel geschalteten Widerstand mit Diode auf 30 bis 40 % in der Umdrehungszahl herabgesetzt werden. Im Widerstand wird nutzlos Elektroenergie in Wärme umgesetzt.

Das gleiche wird in DD-TO 84 417 einfacher durch Umpolen einer der zum Stern geschalteten Feldwicklungen erreicht. Bei Dreieckschaltung sind zwei Hilfsphasen-Kondensatoren· erforderlich.

Die Hilfsphasen-Kondensatoren müssen definierte elektrische Kennwerte für hohe Blindleistungsbelastungen und einen geringen Verlustfaktor besitzen, so daß die-Drehzahlabsenkung auf Dreiphäsen-Drehfeld-Motoren mit kleinen Leistungen beschränkt bleibt. - . ^: .

Vielfältige Möglichkeiten zur Änderung der Umdrehungszahlen hat die Stromrichtertechnik eröffnet. Dabei speisen Dreiphasen-Gleichrichterbrücken einen Gleichstrom- bzw. Gleichspannungs-Swischenkreis, aus dem die Energie für ein neues Dreiphasennetz entnommen wird. Diesem wird dann mittels verstellbarer Oszilliersysteme nach unterschiedlichsten Verfahren die gewünschte Frequenz, aufgeprägt. Ein repräsentatives Beispiel hierfür ist in DE-AS 14 13-752, DS-PS 30 30 465 beschrieben. Dagegen wird in- E? 0 035 150 von vornherein von einer Gleichspannungsquelle ausgegangen. .

DE-AS 22 11 731 beschreibt Asynchron-Motoren, die durch gezielte Impulse aus elektrischen Ventilen zu Schrittmotoren umfunktioniert werden, wobei bestimmten Impulsfolgen definierte Stellwinkel der Motorwelle zugeordnet sind. In den Arbeiten DE-OS 25 38 835 und DD-WP 149 293 werden die Kollektoren von Gleichstrom-Motoren durch kontaktlose Schalter ersetzt, die nach einem rhythmischen Taktverhältnis Gleichstromimpulse erzeugen. . ' ' . ·

Bei den aus der Literatur bekannten Stromrichter-Schaltungen zur Senkung der ITetzfrequenz ist ein sehr hoher Aufwand an leistungselektrischen Bauelementen und elektronischen Schaltungs-

anordnungen für Meß-, Steuer- und Regeleinrichtungen notwen- . dig, um aus der Energie des vernichteten Dreiphasen-Uetses wieder ein neues Dreiphasen-Netz mit veränderter Frequenz zu "bil-

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den. Die zu stellenden Anforderungen sind überaus hoch und demzufolge kostenaufwendig.

Ziel der Erfindung

Ss ist das Ziel der Erfindung, die feinstufige Herabsetzung der Umdrehungszahlen von Dreiphasen-Drehfeld-Motoren, insbesondere Asynchron-Drehstrom-Motoren, für weite Leistungsbereiche so einfach und kostengünstig zu gestalten, daß sie in einer Vielzahl von Fällen durchgesetzt werden kann und bei tieferen Umdrehungszahlen Energie einspart.

Darlegung des Wesens der Erfindung ' ,

Für Drehfeld-Motoren, die sich insbesondere als Asynchron-Drehstrom-Motoren überall in der Technik einen festen Platz erworben haben, ist von Vorteil, wenn sie sich feinstufig auf tiefere Umdrehungszahlen umschalten bzw.' über diese sanft einschalten lassen. Einerseits werden dadurch der Einschaltstrom und die mechanischen Stoßbelastungen herabgesetzt, d.h. die beim Zuschalten großer Motoren auftretenden ITe t ζ spannung sschwankungen gemindert sowie Anlagen, Maschinen und Geräte geschont. Andererseits werden durch das Angebot.niedrigerer Umdrehungszahlen in feiner Abstufung die Nutzungsmöglichkeiten erweitert und Energie gespart..Besondere .Bedeutung hat das für Motoren in Regeleinrichtungen sowie Maschinen- und Fahrzeugantrieben. Das gilt gleichermaßen für einpolige wie für mehrpolige und polumschaltbar Dreiphasen-Drehfeld-Motoren.

Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten anzugeben, daß derartige Motoren ohne konstruktive Änderungen am Motor, ohne Hilfsphasen-Kondensatoren, ohne Widerstände im Leistungskreis, ohne besondere Oszilliersysteme mit entsprechenden Referenzfrequenzen und ohne kostenaufwendige Meß- und Regeltechnik mit vertretbarem Steueraufwand mit verschiedenen feinabgestuften .tieferen Umdrehungszahlen betrieben werden können. ·

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die in einem Oreiphasen-Netz von z.B. 50 Hz in definierter zeitlicher Folge anliegenden Leistungsimpulse durch z7/ei Gruppen von je drei elektrischen Ventilen über einen Verbundstrang entgegen ihrer Zuordnung zu den drei Strängen R, S, T des. Ausgangsnetzes in unterschiedlichem Rhythmus auf drei Stränge.R', S', T' eines motorinternen Dreiphasen-Hetzes eingespeist werden und dadurch feinstufige neue Frequenzen bilden. ^N

So ergibt sich beim Einspeisen von abwechselnd positiven und negativen Halbwellen aus den Strängen R, S, T, R usw. auf einen Strang R' des motorinternen neuen Dreiphasen-Netzes mit Schaltpausen von 1 1/3 Perioden, in jeweils gleicher Weise auf Strang S¹ phasenversetzt um 1 1/3 Perioden und ebenso auf Strang T' phasenversetzt -um 2 2/3 Perioden in der gleichen Folge R, S, T, R usw.' eine Frequenz von 13 7/11 Hs, was einer Synchrondrehzahl von 813 U/min entspricht.

!lach dem gleichen Prinzip mit Schaltpausen von 2 Perioden und ausschließlich Leistungsimpulsen aus R auf R^f, aus 5 auf S' sowie S auf T^f jeweils phasenversetzt um 1.2/3 Perioden ergeben sich 10 Hz, was Synchrondrehzahl von 600 U/min entspricht.

Auf ähnliche Weise ergeben'sich 8 1/3 und 5 5/9 Hz mit entsprechenden Synchrondrehzahlen von 500 und 333 U/min. Lm ersten Fall wird aus zwei Strängen des .Ausgangsnetzes, z.B. aus R und T' gespeist, wobei die Schaltpausen im Strang R' des motorinternen Netzes unterschiedlich lang sind. Und zwar betragen sie zwischen R und T 2 2/3, zwischen T und R 2 1/3 Perioden, die phasenversetzt um ,je 2 Perioden in den Strängen S' und T' im gleichen Rhythmus sind. .Im zweiten Fall wird nur eine Phase R, S oder T verwendet mit Schaltpausen von 3 1/2 Perioden phasenversetzt um 1 1/3 Periode. -

Mit dem Prinzip der unterschiedlichen Kombination der im Ausgangsnetz anliegenden Leistungsimpulse auf beliebige Stränge des neuen letzes R', S', T' und Variierung der Schaltpausen und der Phasenversetsung zwischen den Strängen läßt sich eine große Zahl weiterer feinabgestufter Frequenzen bilden.

Mit abnehmender Frequenz und abnehmender Zahl der Leistungsimpulse pro Zeiteinheit sinkt die Leistungsaufnahme/-abgabe des Motors. Um für diese langsamen Synchrondrehzahlen dennoch zu maximalen Leistungen zu kommen, können zwei und mehr Leistungsimpulse der gleichen Richtung hintereinander in einen Strang des neuen Netzes geleitet werden. Pur diesen Pail dürfen die nacheinander öffnenden..Ventile nur in der vorgesehenen Richtung öffnen, d.h. es können nur antiparallel geschaltete Thyristortrioden oder leistungstransistoren zum Einsatz kommen, die ausschließlich in der beabsichtigten Richtung öffnen und die Gegenrichtung gesperrt halten, damit innerhalb der ersten Ventilgruppe keine Kurzschlüsse zwischen den Phasen des Ausgangsnetzes R, S, T geschaltet werden. . .

Das Problem, langzeit-synchrone Zündimpulse für die elektrischen Ventile bereitzustellen, wird dadurch gelöst, daß die Referenzfrequenzen aus den Leistungsphasen des Ausgangsnetzes selbst abgeleitet werden. Über Widerstände geringer Leistung (Klein-Widerstände) greift die Steuereinheit die anliegenden Impulse ab, um sie nach bekannten Methoden über Schwellwert- und Impulsformer-Schaltungen in für die betreffenden elektrischen Ventile geeignete Steuersignale umzuformen und mittels Zähl- und.Logikglieder (Pestwertspeicher) dem jeweiligen Ventil programmgemäß zuzuführen bzw. für die beabsichtigte Pausendauer zu entziehen. ' . . '

Die Drehrichtungsumkehr erfolgt durch Tausch zweier beliebiger Stränge des motor- bzw. motorgruppeninternen Dreiphasen-lfetzes R^f, S', T^f oder durch entsprechende Impulsfolgeänderung durch Pestspeicherwechsel.

Der Zündzeitpunkt für die elektrischen Ventile wird durch Auswahl der jeweils vorauseilenden Leistungsphase als Steuersignal für eine nacheilende Leistungsphase optimal eingestellt. Dabei erfolgt die Peineinstellung durch bekannte Schaltungen zur Phasenverschiebung am eingehenden Steuersignal.

Ausführungsbeispiel

An Hand der Figuren 1 bis 7 werden Ausführungsbeispiele erläutert. '

Figur 1 zeigt den Leistungsstromkreis eines.sterngeschalteten Dreiphasen-Drehfeld-Motors 1, dessen drei Drehfeldwicklungen 2, 3 und 4 über überflinke Schmelasicherungen 11 und eine erste Yentilgruppe 8, 9 und 10 mit den Strängen R, S und T eines Dreiphasen-lTetzes verbunden sind. HIe drei "Ventile münden in einen Verbundstrang, von'dem aus die durchgelassenen Impulse durch eine zweite Yentilgruppe 5, 6 und 7 auf die· Stränge R', S' und T' verteilt und über die ,jeweilige Feldwicklung 2, 3 oder 4 und den Sternpunkt an den Mittelpunktleiter Mp weitergeleitet werden« Außerdem ist dargestellt, daß eine Steuereinheit 13 über Kiein-Widerstände 12 die Leistungsphasen sR,. S, T zur Verarbeitung als Steuersignale abgreift, um daraus zu den Leistungsiapulsen exakt taktgleiche Zündimpulse für die elektrischen Ventile zu gewinnen, wobei 'eine Befehlseinheit 14 die für die gewünschte Frequenz zugeordneten Abrufsignal-e durchstellt.

Die Figuren 2 bis 7 stellen die zum motor- bzw. motorgruppeninternen Dreiphasen-Netz R-', S¹, T¹ durchgelassenen Leistungsimpulse den Impulsen des Ausgangsnetzes R, S, T gegenüber, wobei die Buchstaben R, .S,,T in den Diagrammen der Figuren 3 bis 7 Aufschluß' über die Herkunft der Halbwellen aus dem Ausgangsnetz geben.

Für 13 7/11 Hz öffnen Ventil 8 und 5, so daß eine HaIbWeIIe über Feldwicklung 2 von R nach Mp durchgelassen wird. Als nächstes öffnet Ventil 9 und bleibt 1 1/2 Perioden (drei Halbwollen) offen, während 7» 6 und 5 nacheinander für eine HaIbwelle öffnen und ,jeweils v/i ed er schließen. Uach einer Halbwelle Pause öffnet Ventil 1.0 für drei Halbwellen, während 7,_ β und 5' nacheinander für eine Halbwelle öffnen und wieder schließen. Hach einer v/eiteren Halbwelle Pause ^wiederholt sich das bei für drei Halbwellen geöffnetem Ventil 8 und der Kreis ist geschlossen, wobei innerhalb der rnotorintemen Stränge R', S¹, ' T^f positive und negative Halbwellen einander abwechseln.

Hach dem gleichen Prinzip wird durch Vergrößerung der Schaltpausen und Phasenversetzungen die Frequenz gesenkt, wie das als Beispiele¹ in den Figuren 4, 6 und 7, dargestellt ist.

Da sich mit sinkender Zahl der Impulse pro Zeiteinheit die Leistungsverringerung nicht durch Stromanstieg kompensieren läßt, werden durch hintereinander in einunddenselben Strang¹-R · , S^f, T¹ eingespeiste Leistungsimpulse gleicher Richtung die Leistung und das Drehmoment angehoben. Mit optimaler Leistungsanpassung durch Zu- und Abschalten von Zusatzimpulsen entsprechend den jeweiligen Anforderungen des Verbrauchers, wie das

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in den Figuren 5 und 7 angedeutet ist, läßt sich in beträchtlichem Umfang Energie einsparen. Dabei dürfen die beteiligten Ventile 8, 9, 10 der ersten Gruppe nur dann gleichzeitig öffnen, wenn die Gegenrichtung gesperrt bleibt, d,h« es können nur antiparallel geschaltete Thyristortrioden oder Leistungstransistoren verwendet v/erden, die von der Steuereinheit 13 in der vorgesehenen Richtung angesteuert werden.

Claims (3)

1« Drehfrequenz-Versteilung für sterngeschaltete Dreiphasen-' Drehfeld-Motoren oder -Motorgruppen, d.h. Synchron- und Asynchron-Drehstrom-Motoren, unter Verwendung von in' zwei Richtungen öffnender und schließender elektrischer Ventile, Schaltungen zur Erzeugung geeigneter Zündimpulse für diese Ventile und Steuerschaltungen mit Zähl- und Logikgliedern, gekennzeichnet dadurch, daß die in d.en drei Strängen R, S, T eines· Dreiphasen-Hetzes anliegenden Leistungsimpulse"unabhängig von ihrer ursprünglichen Zuordnung zu den Strängen R, 3 und T in freier Kombination einem neuen motor- bzw. motorgruppeninternen Dreiphasen-iJetz R',· S^f, T^f in Halbwellen so zugespeist werden, daß in jedem Strang'positive und negative Halbwellen einander abwechseln und durch unterschiedlich große Schaltpausen und optimal angenäherte Phasenversetzung von T/3 der neuen Periodenlänge sich neue feinabgestufte Frequenzen bilden.

2. Drehfrequenz-Versteilung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Anpassung' der mechanischen Ausgangsleistung des Dreiphasen-Drehfeld-Motors (1) oder der -Motorgruppe an den Verbraucher mehrere Halbwellen einer Richtung hintereinander in einunddenselben Strang R', S', T' des motor- bzw. motorgruppeninternen Dreiphasen-Netzes eingespeist und bei sinkender Abnahme wieder abgeschaltet werden, wobei die elektrischen Ventile (5 bis 10) richtungsorientiert öffnen und die. Gegenrichtung sperren.

3. Drehfrequenz-Verstellung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die drei Leistungsphasen R, S, T des Dreiphasen-lTetzes einer Steuereinheit (13) als Referenzfrequenz zur Gewinnung exakt - taktgleicher Steuerimpulse für. die elektrischen Ventile. (5 bis 10) zugeführt und voreilend der nacheilenden Phase optimal zugeordnet v/erden und gegebenenfalls durch bekannte Schaltungen zur Phasenverschiebung eine Feineinstellung erfahren.·

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u 3 Blatt Zeichnungen