DE10017053A1 - Elektromotorischer Antrieb variabler Drehzahl am Drehstromnetz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromotorisches Antriebssystem für variable Drehzahlen, das aus einem Motor und steuerbaren Stromrichtern besteht und aus dem Drehstromnetz gespeist wird und das wie bei einem Direktumrichter keinen Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis benötigt. Gegenüber dem Direktumrichter werden jedoch nur Stromrichter einer Stromrichtung verwendet, der Aufwand an Stromrichtern halbiert sich deshalb. Dies ist mit einem Switched Reluctance Motor möglich, bei dem die Polpaarwicklungen gemeinsam oder bei großen Antrieben die Polwicklungen einzeln von einem netzgeführten Thyristorstromrichter gespeist werden.

Description

Für elektrische Antriebe größerer Leistung und variabler Drehzahl werden häufig Drehstrom-Asynchronmotoren oder Drehstrom-Synchronmotoren verwendet, die mithilfe von Direktumrichtern aus dem Drehstromnetz gespeist werden. Bei diesen Stromrichtern handelt es sich um Stromrichter ohne Ener­ giespeicher. Sie eignen sich besonders dann, wenn die speisende Motor­ frequenz erheblich geringer ist als die Frequenz des Drehstromnetzes. Infolge fehlender Energiespeicher und fehlenden Gleichstromnetzes ergeben sich Kostenvorteile gegenüber selbstgeführten Wechselrichtern mit Strom- oder Spannungszwischenkreis, insbesondere bei Antrieben mit großer Leistung, also bei Antrieben z. B. größer 1 MW. Von Nachteil ist dabei, dass die Direkt­ umrichter sowohl die Spannung als auch den Strom umkehren müssen (Vier- Quadranten-Betrieb). Jeder Stromrichter eines dreiphasigen Direktumrichters besteht dabei aus zwei antiparallel geschalteten Drehstrombrückenschaltungen mit Thyristoren. Da jeweils ein Stromrichter in Gleichrichteraussteuerung, der andere sich in Wechselrichteraussteuerung befindet, muss beim Wechsel von einer Stromrichtung zur anderen eine Pause eingehalten werden, damit es nicht zu Kreisströmen kommt (kreisstromfreier Betrieb). Ein Kreisstrom kann dann zugelassen werden, wenn beide Stromrichter mithilfe von Drosseln (Kreisstromdrosseln) verbunden sind und eine entsprechende Kreisstrom­ regelung vorhanden ist.

Es liegt in der Funktion des Direktumrichters, dass die mit diesem Stromrichter gebildete Ausgangsfrequenz wesentlich unter der Frequenz des speisenden Drehstromnetzes liegt, sie ist maximal etwa der halben Frequenz des Drehstromnetzes. Die Antriebsdrehzahlen gehen damit fast bis zur halben synchronen Drehzahl.

Switched-Reluctance-Motoren (Motoren mit geschalteten Reluktanzen) werden - allgemein mithilfe spezieller Stromrichter an einem Gleichspannungsnetz betrieben. Bei den bisher bekannten Anwendungen sind dies Traktionsmotoren und Motoren für Werkzeugmaschinen im Handhabungsbereich. Gleichspan­ nungen stehen von Batterien, Brennstoffzellen und sonstigen elektrochemi­ schen Quellen zur Verfügung. Gleichspannungsnetze können auch mithilfe von Stromrichtern aus einem Mehrphasen-Wechselspannungsnetz (z. B. Dreh­ stromnetz) erzeugt werden. Eine Energierückspeisung ist bei gleichbleibender Spannungspolarität nur möglich, wenn der Strom mithilfe eines zweiten Strom­ richters umgekehrt wird (Umkehrstromrichter). Die Speisung eines Gleich­ spannungsnetzes aus dem Drehstromnetz ist bei gleicher Spannungspolarität und Stromumkehr deshalb mit höherem Aufwand verbunden gegenüber einem solchen ohne Stromumkehr. Energierückspeisung ist dagegen mit einem netzgeführten Stromrichter bei gleichbleibender Stromrichtung möglich, wenn die Spannungsrichtung geändert wird (Wechselrichterbetrieb). Dann wird aber das Prinzip des Gleichspannungsnetzes verlassen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gleichstromfreien Antrieb mithilfe netzgeführter Stromrichter zu schaffen. Die Aufgabe der Erfindung wird im Wesentlichen durch den Einsatz eines Switched-Reluctance-Motors in Verbindung mit netzgeführten Stromrichtern gelöst. Dabei kann der Switched- Reluctance-Motor drei- oder mehrphasig ausgeführt sein. Jeder Phase des SR-Motors wird eine Stromrichterbrückenschaltung zugeordnet. Diese kann im Gleichrichterbetrieb den Strom in der Motorwicklung aufbauen und im Wechsel­ richterbetrieb die Spule stromlos machen. Die Energie wird infolge der Span­ nungsumkehr ins Netz zurückgespeist, eine Stromumkehr und damit eine zweite Brückenschaltung ist nicht erforderlich. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei der Lösung mithilfe eines SR-Motors dadurch, dass die Polzahl p = q . 2n (q = Anzahl der Phasen, n = 1, 2, 3. . .) je nach Anwendung niedrig oder hoch gewählt werden kann. Bei der Speisung mithilfe von netzgeführten Stromrich­ tern kann auch eine höhere Phasenzahl gewählt werden. Es ist weiterhin möglich, bei sehr großen Antrieben jede einzelne Spule eines Pols von einer Stromrichterbrückenschaltung zu speisen. Es ist bei großen Leistungen weiter­ hin üblich, dass die Stromrichter jeweils an eine eigene Trafowicklung des speisenden Netzes geschaltet werden.

An Hand von Zeichnungen sollen die Erfindung und der Stand der Technik sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen dreiphasigen SR-Motors mit 6 Polen im Schnitt,

Fig. 2 die Darstellung eines dreiphasigen SR-Motors bei Speisung aus dem Drehstromnetz mithilfe von vollgesteuerten, netzgeführten Stromrichtern,

Fig. 3 die Speisung der einzelnen Motorwicklungen mit je einem Strom­ richter,

Fig. 4 das Bockschaltbild eines Antriebs mit Drehstrommotor bei Spei­ sung aus einem Drehstromnetz mithilfe eines Direktumrichters bestehend aus drei Teilumrichtern.

In den Figuren werden gleiche Teilelemente mit gleichen Ziffern gekennzeich­ net. Die Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Switched Reluctance Motors mit sechs Statorpolen S1, S2, R1, R2, T1, T2 und vier Rotorpolen. Jeder Statorpol trägt eine Wicklung, die so gestaltet ist, dass in dessen Wicklungsanfängen 1A, 2A, 3A, 4A, 5A, 6A der Strom hineinfließt und aus dessen Wicklungsende 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B der Strom herausfließt. Zwei gegenüberliegende Pole stellen ein Polpaar dar, z. B. R1 und R2. Die Polwicklungen werden so geschaltet, dass sich der magnetische Fluss in der Polachse verstärkt.

In Fig. 2 werden die Polwicklungen des SR-Motors 8 als Polpaar von je einem netzgeführten Stromrichter 6a, 6b, 6c jeweils aus getrennten Sekundärwick­ lungen 5a, 5b, 5c eines Drehstromtransformators gespeist. Die Primärwicklung 4 ist mit den Phasen 1, 2, 3 des Drehstromnetzes verbunden.

In Fig. 3 ist jeweils eine Polwicklung des SR-Motors 8 mit einem netzgeführ­ ten Stromrichter 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f verbunden. Die Sekundärwicklungen 5a, 5b, 5c des Transformators und die Primärwicklung 4 entsprechen der Anordnung in Fig. 2. Gegenüber Fig. 2 kann mit dieser Anordnung eine höhere Leistung in den Motor gespeist werden.

Fig. 4 zeigt den Stand der Technik mit einen Drehstrommotor 9 mit je einem Umkehrstromrichter bestehend aus den antiparallel geschalteten netzgeführten Stromrichtern 6a und 7a, 6b und 7b, 6c und 7c die jeweils über getrennte Sekundärwicklungen 5a, 5b, 5c eines Drehstromtransformators mit der Primär­ wicklung 4 aus dem Netz mit den Phasen 1, 2, 3 gespeist wird. Strom- und Spannungsumkehr der Motor-Phasen ist bei diesem System notwendig, da sowohl Drehstromsynchron- als auch Drehstromasynchronmotoren beide Spannungs- und Strompolaritäten erfordern.

Claims (6)

1. Elektromotorisches Antriebssystem für variable Drehzahlen und Betrieb an einem Drehstromnetz dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung netzgeführte Stromrichter verwendet werden und kein gemeinsamer Gleichspannungs- oder Gleichstrom-Zwischenkreis vorhanden ist, und dass der Stromrichter keinen Energiespeicher enthält und der Strom in den Maschinenwicklungen nur in eine Richtung fließt.

2. Elektromotorisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Motor als Switched-Reluctance-Motor ausgeführt und über Stromrichter mit dem Drehstromnetz verbunden ist.

3. Elektromotorisches Antriebssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die speisenden Stromrichter netzgeführte voll steuer­ bare Stromrichter mit einer Stromrichtung sind.

4. Elektromotorisches Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass jedes Polpaar einen eigenen Stromrichter besitzt.

5. Elektromotorisches Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Leistungserhöhung und zur flexibleren Gestaltung jeder Pol der Maschine an einem eigenen Stromrichter ange­ schlossen ist.

6. Elektromotorisches Antriebssystem nach dem Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter aus der Reihenschaltung von zwei Stromrichtern bestehen.