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Die
Erfindung betrifft einen Drehstromantrieb, insbesondere einen Asynchronmotor
oder einen Synchronmotor. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische
Antriebsvorrichtung mit einem Drehstromantrieb.
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Elektrische
Antriebsvorrichtungen mit Drehstromantrieben werden für eine Vielzahl
von Antriebsaufgaben eingesetzt. Zur Erzielung eines optimalen Antriebsverhaltens
ist es erforderlich, die elektrische Antriebsvorrichtung an die
Antriebsaufgabe anzupassen und zu optimieren. Für bestimmte Antriebsaufgaben
hat es sich in der Vergangenheit als vorteilhaft erwiesen, Drehstromantriebe
mit zwei mechanisch getrennten und im Wesentlichen voneinander unabhängigen Wicklungssystemen
einzusetzen, wobei jedes Wicklungssystem von einem eigenen Frequenzumrichter
gespeist wird. Dies hat im Vergleich zu Drehstromantrieben mit einem
Wicklungssystem den Vorteil, dass anstatt einem Frequenzumrichter
mit hoher Leistung zwei Frequenzumrichter mit entsprechend geringerer
Leistung eingesetzt werden können,
was zu einer Effizienzsteigerung und einer Kosteneinsparung bei
der elektrischen Antriebsvorrichtung führt.
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Bei
derartigen Drehstromantrieben sind die zwei Wicklungssysteme im
Stator jeweils im Stern geschalten und mechanisch betrachtet relativ
zueinander um 180° um
die Drehachse des Drehstromantriebs gedreht. Dies hat zur Folge,
dass der Sternpunkt des ersten Wicklungssystems benachbart zu den
Anschlussklemmen der zweiten Wicklungsanordnung angeordnet ist und
in entsprechender Weise der Sternpunkt des zweiten Wicklungssystems
benachbart zu den Anschlussklemmen des ersten Wicklungssystems angeordnet
ist. Nachteilig bei derartigen Drehstromantrieben ist, dass die
Anschlussklemmen des ersten Wicklungssystems und die Anschlussklemmen
des zweiten Wicklungssystems einander relativ zu der Drehachse gegenüberlie gen,
so dass zwei Anschlussklemmenkästen,
beispielsweise an der Unter- und Oberseite des Drehstromantriebs erforderlich
sind. Dies erhöht
einerseits den erforderlichen Bauraum des Drehstromantriebs und
schränkt andererseits
dessen Einsatzmöglichkeiten
ein, da die um 180° relativ
zu der Drehachse des Drehstromantriebs versetzt angeordneten Anschlussklemmen eine
Zugänglichkeit
zu dem Drehstromantrieb von zwei Seiten erfordern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehstromantrieb und
eine elektrische Antriebsvorrichtung derart weiterzubilden, dass
deren Einsatzmöglichkeiten
verbessert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bei
dem erfindungsgemäßen Drehstromantrieb
handelt es sich um einen solchen, mit mindestens
- a)
einem ersten Wicklungssystem, welches
i) mindestens drei im
Stern geschaltete erste Statorspulen mit einem ersten Sternpunkt
aufweist, und
ii) mindestens drei erste Anschlussklemmen zum Verbinden
des ersten Wicklungssystems mit einem ersten Umrichter aufweist,
und
- b) einem von dem ersten Wicklungssystem mechanisch getrennten
zweiten Wicklungssystem, welches
i) mindestens drei im Stern
geschaltete zweite Statorspulen mit einem zweiten Sternpunkt aufweist,
wobei der zweite Sternpunkt räumlich
benachbart zu dem ersten Sternpunkt angeordnet ist, und
ii)
mindestens drei zweite Anschlussklemmen zum Verbinden des zweiten
Wicklungssystems mit einem zweiten Umrichter aufweist, wobei die zweiten
Anschlussklemmen räumlich
benachbart zu den ersten Anschlussklemmen angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass die Wicklungssysteme derart ausgestaltet werden können, dass
einerseits die Sternpunkte der Wicklungssysteme räumlich benachbart
zueinander angeordnet sind und andererseits auch die Anschlussklemmen der
Wicklungssysteme räumlich
benachbart zueinander angeordnet sind. Dadurch, dass die Anschlussklemmen
der Wicklungssysteme räumlich
benachbart zueinander angeordnet sind, sind alle Anschlussklemmen
von einer Seite des Drehstromantriebs, beispielsweise von der Oberseite,
zugänglich. Gleichzeitig
wird der Bauraumbedarf des Drehstromantriebs nicht erhöht, so dass
die Einsatzmöglichkeiten
des Drehstromantriebs, insbesondere bei geringem zur Verfügung stehenden
Bauraum und erschwerter Zugänglichkeit,
deutlich verbessert werden. Erfindungsgemäß wurde weiterhin erkannt, dass
durch eine derartige Ausgestaltung des Drehstromantriebs im Vergleich
zu den bekannten Drehstromantrieben die Polarität eines Wicklungssystems umgekehrt
wird, was jedoch beim Betrieb des Drehstromantriebs in einer elektrischen
Antriebsvorrichtung kompensierbar ist, ohne dass sich das Antriebsverhalten
des Drehstromantriebs nachteilig verändert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
von Anspruch 1 abhängigen
Unteransprüche.
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Vorteilhafterweise
ist ein gemeinsamer Anschlussklemmenkasten für die ersten und zweiten Anschlussklemmen
vorgesehen. Durch eine derartige Ausgestaltung des Drehstromantriebs
ist eine Bauraum- und Materialersparnis möglich. Zusätzlich wird das Anschließen der
Wicklungssysteme an zugehörige
Umrichter in einer elektrischen Antriebsvorrichtung erleichtert.
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Günstigerweise
sind die Sternpunkte und der gemeinsame Anschlussklemmenkasten relativ
zu einer Drehachse des Drehstromantriebs gegenüberliegend angeordnet.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die Wicklungssysteme relativ zu einer
durch eine Drehachse des Drehstromantriebs verlaufenden Symmetrieebene
mechanisch symmetrisch angeordnet sind. Ein derartiger Drehstromantrieb
ist einfach aufgebaut und weist ein gutes Antriebsverhalten auf.
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Die
Aufgabe wird ferner durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst. Bei
der erfindungsgemäßen elektrischen
Antriebsvorrichtung handelt es sich um eine solche, mit
- a) einem Drehstromantrieb mit mindestens einem ersten Wicklungssystem
und einem von diesem mechanisch getrennten zweiten Wicklungssystem,
wobei
i) das erste Wicklungssystem mindestens drei im Stern
geschaltete erste Statorspulen mit einem ersten Sternpunkt aufweist,
ii)
das erste Wicklungssystem mindestens drei erste Anschlussklemmen
aufweist,
iii) das zweite Wicklungssystem mindestens drei im
Stern geschaltete zweite Statorspulen mit einem zweiten Sternpunkt
aufweist, wobei der zweite Sternpunkt räumlich benachbart zu dem ersten Sternpunkt
angeordnet ist, und
iv) das zweite Wicklungssystem mindestens
drei zweite Anschlussklemmen aufweist, wobei die zweiten Anschlussklemmen
räumlich
benachbart zu den ersten Anschlussklemmen angeordnet sind,
- b) einer Umrichtervorrichtung zur Speisung des Drehstromantriebs,
welche mindestens
i) einen mit den ersten Anschlussklemmen
verbundenen ersten Umrichter aufweist, und
ii) einen mit den
zweiten Anschlussklemmen verbundenen zweiten Umrichter aufweist,
und
- c) mindestens einem Anpassungsmittel, welches derart ausgebildet
ist, dass der Drehstromantrieb und die Umrichtervorrichtung elektrisch
aneinander anpassbar sind.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen
Antriebsvorrichtung entsprechen denen, die oben bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Drehstromantrieb
aufgeführt
wurden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Drehstromantriebs weisen die Wicklungssysteme relativ zueinander
unterschiedliche Polaritäten
auf. Dieser konstruktiv bedingte Polaritätsunterschied wird mittels
des mindestens einen Anpassungsmittels ausgeglichen, so dass der
Drehstromantrieb und die Umrichtervorrichtung aneinander angepasst
werden und die elektrische Antriebsvorrichtung in bekannter Weise
betreibbar ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
von Anspruch 5 abhängigen
Ansprüche.
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Vorteilhafterweise
ist das mindestens eine Anpassungsmittel als Messeinrichtung ausgebildet. Mittels
einer Messeinrichtung ist in einfacher Weise eine Anpassung des
Drehstromantriebs und der Umrichtervorrichtung möglich.
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Günstigerweise
ist die Messeinrichtung derart ausgebildet, dass mindestens eine
für die
Steuerung der Antriebsvorrichtung erforderliche Messgröße zum Polaritätsausgleich
der Wicklungssysteme entsprechend vorzeichenrichtig messbar ist.
Durch eine derartig ausgestaltete Messeinrichtung ist der Polaritätsunterschied
der Wicklungssysteme in einfacher Weise kompensierbar.
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Weiterhin
ist mit Vorteil vorgesehen, dass das mindestens eine Anpassungsmittel
als Steuereinrichtung ausgebildet ist. Eine derartige Steuereinrichtung
ermöglicht
in einfacher Weise einen Polaritätsausgleich
der Wicklungssysteme.
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Günstigerweise
ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass mindestens eine
für die Steuerung
der Antriebsvorrichtung erforderliche Rechengröße zum Polaritätsausgleich
der Wicklungssysteme entsprechend vorzeichenrichtig berechenbar
ist. Durch eine derart ausgebildete Steuereinrichtung ist in einfacher
Weise der Polaritätsausgleich der
Wicklungssysteme kompensierbar.
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Vorteilhafterweise
ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass Raumzeiger der
Wicklungssysteme zum Polaritätsausgleich
der Wicklungssysteme entsprechend vorzeichenrichtig addierbar sind. Durch
eine vorzeichenrichtige Addition der Raumzeiger sind der Drehstromantrieb
und die Umrichtervorrichtung softwaremäßig sehr einfach aneinander
anpassbar.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des elektrischen Aufbaus einer elektrischen
Antriebsvorrichtung mit einem Drehstromantrieb,
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2 eine
schematische Darstellung des mechanischen Aufbaus des Drehstromantriebs
in 1, und
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3 ein
Raumzeigerdiagramm des Drehstromantriebs in 1.
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Eine
elektrische Antriebsvorrichtung 1 weist einen Drehstromantrieb 2 auf,
der von einer Umrichtervorrichtung 3 gespeist wird. Der
Drehstromantrieb 2 kann beispielsweise als Asynchronmotor
oder als Synchronmotor ausgebildet sein. Der Drehstromantrieb 2 umfasst
ein erstes Wicklungssystem 4 und ein von diesem mechanisch
getrenntes zweites Wicklungssystem 5. Das erste Wicklungssystem 4 umfasst
drei erste Statorspulen 6, die im Stern geschalten sind
und als gemeinsamen Knotenpunkt einen ersten Sternpunkt 7 aufweisen.
Die ersten Statorspulen 6 werden entsprechend ihrer Zugehörigkeit
zu einer elektrischen Phase mit 1U, 1V, 1W unterschieden. Entsprechend
umfasst das zweite Wicklungssystem 5 drei zweite Statorspulen 8,
die im Stern geschalten sind und als gemeinsamen Knotenpunkt einen
zweiten Sternpunkt 9 aufweisen. Die zweiten Statorspulen 8 werden
entsprechend ihrer Zugehörigkeit
zu einer elektrischen Phase mit 2U, 2V, 2W unterschieden. Das erste
Wicklungssystem 4 weist zum Verbinden dieses mit einem
ersten Frequenzumrichter 10 der Umrichtervorrichtung 3 drei
erste Anschlussklemmen 11 auf, die entsprechend zu den ersten
Statorspulen 6 mit 1U, 1V und 1W unterschieden werden.
Entsprechend weist das zweite Wicklungssystem 5 zum Verbinden
dieses mit einem zweiten Frequenzumrichter 12 der Umrichtervorrichtung 3 drei
zweite Anschlussklemmen 13 auf, die entsprechend zu den
zugehörigen
zweiten Statorspulen 8 mit 2U, 2V, 2W unterschieden werden.
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Die
Frequenzumrichter 10, 12 der Umrichtervorrichtung 3 sind
elektrisch parallel zueinander angeordnet und netzseitig beispielsweise
mit einem dreiphasigen Drehstromnetz 14 verbunden. Alternativ
kann die Netzeinspeisung auch getrennt für die Frequenzumrichter 10 und 12 erfolgen.
Weiterhin kann die Einspeisung auch einphasig oder mittels Gleichstrom
erfolgen, wenn entsprechende Umrichter vorgesehen sind. Die Umrichtervorrichtung 3 umfasst
ferner eine Messeinrichtung 15, mittels der antriebsseitig
Ströme
und Spannungen sowie Zustandsgrößen der
Frequenzumrichter 10, 12 messbar sind. Die Messeinrichtung 15 steht
in Signalverbindung mit einer Steuereinrichtung 16, mittels
der Steuersignale für
die Steuerung der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 berechenbar
sind. Die Steuereinrichtung 16 steht in Signalverbindung
mit den Frequenzumrichtern 10, 12.
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2 zeigt
den prinzipiellen mechanischen Aufbau des Drehstromantriebs 2.
Die Wicklungssysteme 4, 5 sind innerhalb eines
Gehäuses 17 angeordnet.
Die Anordnung der Wicklungssysteme 4, 5 ist derart,
dass der zweite Sternpunkt 9 räumlich benachbart zu dem ersten
Sternpunkt 7 angeordnet ist und die zweiten Anschlussklemmen 13 räumlich benachbart
zu den ersten Anschlussklemmen 11 angeordnet sind. Für die ersten
und zweiten Anschlussklemmen 11, 13 ist ein gemeinsamer
Anschlussklemmenkasten 18 vorgesehen, der an einer Außenseite des
Gehäuses 17 befestigt
ist. Der gemeinsame Anschlussklemmenkasten 18 und die Sternpunkte 7, 9 der
Wicklungssysteme 4, 5 sind relativ zu einer Drehachse 19 eines
Rotors 20 des Drehstromantriebs 2 gegenüberliegend
angeordnet. Die Wicklungssysteme 4, 5 sind weiterhin
relativ zu einer durch die Drehachse 19 verlaufenden Symmetrieebene
S mechanisch symmetrisch angeordnet und aufgebaut. Elektrisch betrachtet
sind die Wicklungssysteme 4, 5 relativ zu der
Symmetrieebene S nicht symmetrisch. Ausgehend von der Symmetrieebene
S weisen die ersten Anschlussklemmen 11 beispielsweise
die Reihenfolge 1U, 1V und 1W auf, wohingegen die zweiten Anschlussklemmen 13 ausgehend
von der Symmetrieebene S beispielsweise die Reihenfolge 2W, 2V und
2U aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
der Wicklungssysteme 4, 5 führt im Vergleich zu dem beschriebenen
Stand der Technik dazu, dass sich die Polarität eines der Wicklungssysteme 4, 5 verändert. Dies
hat zur Folge, dass der erfindungsgemäße Drehstromantrieb 2 nicht
länger
an einer herkömmlichen
Umrichtervorrichtung betreibbar ist, so dass ein Anpassungsmittel
erforderlich ist, welches derart ausgebildet ist, dass der Drehstromantrieb 2 und
die Umrichtervorrichtung 3 elektrisch aneinander angepasst
werden. Die elektrischen Verhältnisse
des erfindungsgemäßen Drehstromantriebs 2 sind
in 3 verdeutlicht. 3 zeigt
ein statorfestes Koordinatensystem 21, dessen Achsen mit α und β bezeichnet sind.
Weiterhin ist in 3 ein rotorflussfestes Koordinatensystem 22 dargestellt,
dessen Achsen mit d und q bezeichnet sind. Das rotorflussfeste Koordinatensystem 22 rotiert
relativ zu dem statorfesten Koordinatensystem 21 mit der
Winkelgeschwindigkeit ω. Die
elektrische Lage der ersten Statorspulen 6 und der zweiten
Statorspulen 8 im statorfesten Koordinatensystem 21 ist
in 3 angedeutet, wobei die Achse α des statorfesten Koordinatensystems 21 als
Bezugspunkt für
die Statorspule 1U gewählt
wurde. Die Achse α des
statorfesten Koordinatensystems und die Achse d des rotorflussfesten
Koordinatensystems 22 schließen den Winkel φ ein.
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Der
Drehstromantrieb 2 wird mittels einer feldorientierten
Regelung geregelt, wobei die feldorientierte Regelung in der Steuereinrichtung 16 ausgebildet
ist. Die feldorientierte Regelung basiert auf sogenannten Raumzeigern V, die aus Messgrößen berechnet
werden. Das Prinzip der feldorientierten Regelung und die Berechnung
von Raumzeigern ist in der Literatur bekannt. Die Besonderheit bei
dem erfindungsgemäßen Drehstromantrieb 2 ist,
dass durch die Anordnung der Wicklungssysteme 4, 5 die
Raumzeiger für
elektrische Größen des
ersten und zweiten Wicklungssystems 4, 5 im rotorflussfesten
Koordi natensystem 22 um 180° verdreht sind. In 3 ist
für das
erste Wicklungssystem 4 exemplarisch ein Raumzeiger V 1 und
für das
zweite Wicklungssystem 5 ein Raumzeiger V 2 dargestellt.
Die Raumzeiger V 1 und V 2 sind
beispielsweise Strom- oder
Spannungsraumzeiger der gemessenen Ströme und Spannungen in dem ersten
und zweiten Wicklungssystem 4, 5.
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Zur
feldorientierten Regelung des Drehstromantriebs 2 ist es
erforderlich, die Raumzeiger V 1, V 2 der Wicklungssysteme 4, 5 miteinander
zu einem Gesamtraumzeiger V G zu addieren. Dadurch, dass die Raumzeiger V 1 und V 2 zueinander
um 180° gedreht sind,
also eine unterschiedliche Polarität aufweisen, führt die
Addition dazu, dass der Gesamtraumzeiger V G gleich Null
ist und somit ein Betrieb nicht möglich ist. Bei Drehstromantrieben
nach dem beschriebenen Stand der Technik tritt dieses Problem nicht
auf, da bei derartigen Drehstromantrieben die Raumzeiger V 1, V 2 in Phase zueinander
liegen, so dass die Addition zu einem Gesamtraumzeiger V G zu einem korrekten
Ergebnis für
die feldorientierte Regelung führt.
Der erfindungsgemäße Drehstromantrieb 2 ist somit
nicht ohne weiteres an der Umrichtervorrichtung 3 mit einer
feldorientierten Regelung betreibbar. Um den erfindungsgemäßen Drehstromantrieb 2 an der
Umrichtervorrichtung 3 betreiben zu können, weist die elektrische
Umrichtervorrichtung 3 ein Anpassungsmittel auf, welches
derart ausgebildet ist, dass der Drehstromantrieb 2 und
die Umrichtervorrichtung 3 zum Betrieb der elektrischen
Antriebsvorrichtung 1 elektrisch aneinander anpassbar sind.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung stellt die Messeinrichtung 15 das Anpassungsmittel
dar. Die Messeinrichtung 15 ist derart ausgebildet, dass
die für
die Regelung der Antriebsvorrichtung 1 erforderlichen Messgrößen zum
Polaritätsausgleich
der Wicklungssysteme 4, 5 entsprechend vorzeichenrichtig
messbar sind. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende
Verdrahtung der für
die Messung erforderlichen Messsensoren erfolgen. Eine derartige
Ausbildung der Messeinrichtung 15 hat zur Folge, dass beispielsweise
bei dem Raum zeiger V 2 für
das zweite Wicklungssystem 5 durch die Messung ein negatives
Vorzeichen eingebracht wird, das die Verdrehung der Raumzeiger V 1 und V 2 korrigiert,
so dass die Raumzeiger V 1 und V 2 in Phase sind und die Addition zu dem Gesamtraumzeiger V G wieder
zu einem korrekten Ergebnis für
die feldorientierte Regelung führt.
Der erfindungsgemäße Drehstromantrieb 2 und
die Umrichtervorrichtung 3 werden mittels des als Messeinrichtung 15 ausgebildeten
Anpassungsmittels elektrisch aneinander angepasst, so dass sie miteinander
betreibbar sind.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dient die Steuereinrichtung 16 als Anpassungsmittel.
Die Steuereinrichtung 16 ist derart ausgebildet, dass für die Steuerung
der Antriebsvorrichtung 1 erforderliche Rechengrößen zum
Polaritätsausgleich
der Wicklungssysteme 4, 5 entsprechend vorzeichenrichtig
berechnet werden. Dies führt
dazu, dass beispielsweise der Raumzeiger V 2 für das zweite
Wicklungssystem 5 mit einem negativen Vorzeichen versehen
wird, so dass die Addition der Raumzeiger V 1 und V 2 zu einem Gesamtraumzeiger V G wieder
zu einem korrekten Ergebnis für
die feldorientierte Regelung führt.
Besonders einfach ist der Polaritätsausgleich der Wicklungssysteme 4, 5 möglich, wenn
die Raumzeiger V 1, V 2 der
Wicklungssysteme 4, 5 direkt entsprechend vorzeichenrichtig
addiert werden, beispielsweise indem der Raumzeiger V 2 für das zweite
Wicklungssystem 5 mit einem negativen Vorzeichen bei der
Addition versehen wird. Der erfindungsgemäße Drehstromantrieb 2 und
die Umrichtervorrichtung 3 werden durch das als Steuereinrichtung 16 ausgebildete
Anpassungsmittel elektrisch aneinander angepasst, so dass sie miteinander
betreibbar sind.
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Der
erfindungsgemäße Drehstromantrieb 2 ermöglicht,
dass alle Anschlussklemmen 11, 13 an einer Seite
des Drehstromantriebs 2 anordenbar sind, so dass der Drehstromantrieb 2 nur
von dieser Seite zugänglich
sein muss. Die verbesserte Zugänglichkeit
wird ohne eine Vergrößerung des
Bauraums erzielt, so dass der Einsatzbereich des Drehstromsantriebs 2 erheblich
verbessert wird. Die erfindungsgemäße elektrische Antriebs vorrichtung 1 ermöglicht,
dass der Drehstromantrieb 2 mit der Umrichteranordnung 3 betreibbar
ist.