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Anordnung zum selbsttätigen Anlassen und zur Drehzahlregelung eines
Drehstromasynchronmotors Bei elektromotorischen Antrieben, deren Leistungsaufnahme
kubisch mit der Drehzahl zunimmt, wie beispielsweise bei Lüftern, Kreiselpumpen
und Kompressoren oder auch bei Antrieben, deren Drehzahl je nach der Dichte und
der Menge des zu bewegenden Materials veränderbar sein soll, wie beispielsweise
bei Schaufelrädern und Mischern, benötigt man im allgemeinen nur einen verhältnismäßig
kleinen Drehzahlregelbereich zwischen etwa 70 und 10011/0 der Nenndrehzahl. Als
Antriebsmotor für derartige Verbraucher empfiehlt sich ein Schleifringläufermotor,
dessen Schlupfleistung über eine Kaskadenschaltung in das Drehstromnetz zurückgespeist
werden kann.
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Es sind bereits regelbare Motorkaskaden mit einer asynchronen Vordermaschine
und einer Kommutatorhintermaschine bekannt, deren Verbindungen von den Schleifringen
zur Kommutatorhintermaschine zwecks Schlupfregelung veränderbare Widerstände enthalten
können. Derartige Regelsätze haben aber den Nachteil, daß keine trägheitsarme Steuerung
oder Regelung möglich ist. Ferner ist ein Verfahren zum Anlassen von Motorkaskaden
bekannt, bei dem die Schlupfenergie des Schleifringläufermotors über einen Gleichrichter
dem Anker einer Gleichstrom-Nebenschlußmaschine eines gesonderten Umformersatzes
zugeführt wird. Im Gleichstromzwischenkreis ist in Reihe mit dem Anker ein kurzschließbarer
Anlaufwiderstand angeordnet. Bei dieser Anordnung muß der Gleichrichter für die
volle Schleifringstillstandsspannung ausgelegt werden. Diese Nachteile können mit
der Erfindung vermieden werden.
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Demgemäß betrifft die Erfindung eine Anordnung zum selbsttätigen Anlassen
und zur Drehzahlregelung eines Drehstromasynchronmotors mit Schleifringläufer, dessen
Primärwicklung an ein Drehstromnetz angeschlossen ist und dessen Schlupfenergie
über die Schleifringe einem Gleichrichtersatz zugeführt wird, welcher über einen
Gleichstromzwischenkreis mit einem steuerbaren Stromrichter in Reihe geschalttet
ist, dessen Transformatorprimärwicklung an das Drehstromnetz angeschlossen ist.
Erfindungsgemäß sind zwischen den Schleifringen und dem Gleichrichtersatz veränderbare
Widerstände angeordnet, welche mit Hilfe eines für die Steuerung des Stromrichters
vorgesehenen Stromreglers, dem die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers und eine dem
Strom im Gleichrichterzwischenkreis proportionale elektrische Größe als Eingangsgrößen
zugeführt werden, stufenweise abgeschaltet werden. Als Stromrichter kann vorzugsweise
ein Wechselrichter in Saugdrossel- oder Drehstrombrückenschaltung gewählt werden.
Diese Anordnung ermöglicht einen Anlauf des Motors mit annähernd konstantem Strom,
und Gleich- und Wechselrichter brauchen nur für die größte im Regelbereich auftretende
Spannung ausgelegt zu werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in der
Zeichnung (Fig.1 bis 3) veranschaulicht.
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Ein Drehstromschleifringläufermotor 2, dessen Primärwicklung über
einen Leistungsschalter 3 an ein Drehstromnetz mit den Netzleitern R, S und T anzuschließen
ist, steht über eine Welle 4 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Verbraucher
in Antriebsverbindung. Die Welle 4, auf der drei Schleifringe 5, 6 und 7 angeordnet
sind, ist mit einer Tachodynamomaschine 8 gekuppelt. Jeder Schleifring ist über
einen der Widerstände 9, 10 und 11 mit einem Gleichrichtersatz 12 in Drehstrombrückenschaltung
verbunden, der in jedem Brückenzweig eine Reihenschaltung einer Gleichrichterzelle
13 mit einer Sicherung 14 enthält. Der Gleichrichtersatz 12 speist einen Gleichstromzwischenkreis,
in welchem eine Glättungsdrossel 15 und ein Wechselrichter 16 in Saugdrosselschaltung
angeordnet sind. Der Wechselrichter 16 hat in der Kaskadenschaltung die Aufgabe,
die Schlupfleistung des Motors 2, die vom Gleichrichtersatz
12
in Gleichstromleistung umgeformt wird, als Drehstromleistung in das Netz zurückzuspeisen.
Der Wechselrichter 16 besteht aus einem Stromrichtertransformator, dessen Primärwicklung
17 über einen Leistungsschalter 18 an das Drehstromnetz anzuschließen ist, und zwei
dreiphasigen Sekundärwicklungen 19 und 20, deren Sternpunkte über eine Saugdrossel
21 verbunden sind. Jede Phase der Sekundärwicklungen ist mit der Anode eines der
Ventile 22 bis 27 verbunden, die beispielsweise gittergesteuerte Quecksilberdampfgefäße
sein können. Die Kathoden der Ventile 22 bis 27 sind an den Gleichstromzwischenkreis
angeschlossen. Die Spannung der Tachodynamomaschine 8 wird einem Drehzahlregler
30 zugeführt, dem außerdem die Steuergröße eines nicht dargestellten Drehzahlsollwertgebers,
der beispielsweise an die Klemme 31 angeschlossen sein kann, zugeführt wird. Die
Ausgangsleitung des Drehzahlreglers 30 ist mit einer Eingangsleitung eines Stromreglers
32 verbunden. Eine weitere Eingangsleitung des Stromreglers 32 ist mit einem im
Gleichstromzwischenkreis angeordneten Gleichstromwandler 33, der beispielsweise
ein Hallwandler sein kann, verbunden. Die Ausgangsleitung des Stromreglers 32 ist
zu einem Steuersatz 34 für die Ventile 22 bis 27 geführt. Für die stufenweise Ein-
und Ausschaltung der Widerstände 9, 10 und 11 ist ein Steuergerät 36 vorgesehen,
dem das Ausgangssignal des Stromreglers 32 als Eingangssignal zugeführt wird. Die
Ein- und Ausschaltung der Widerstände 9 bis 11 ist in drei Stufen vorgesehen. Für
die Stufen ist je ein dreipoliger Schalter 37, 38 und 39 vorgesehen, welche von
dem Steuergerät 36 betätigt werden. Mit dem Schalter 37 kann die erste Stufe der
Widerstände ausgeschaltet werden, mit dem Schalter 38 die zweite Stufe, und mit
dem Schalter 39 können die Widerstände ganz überbrückt werden. Die Anzahl der erforderlichen
Schaltstufen richtet sich nach der Größe des geforderten Regelbereiches. Für einen
Regelbereich von 50 bis 10019/o der Nenndrehzahl reicht eine Schaltstufe aus. Wird
der Regelbereich kleiner, sind weitere Schaltstufen erforderlich. An den Anlaufwiderständen
9 bis 11 fällt beim Anlauf des Motors 2 ein Teil der Schleifringspannung ab. Während
des Anlaufes werden die Widerstände stufenweise überbrückt. Sie werden kurzgeschlossen,
sobald die Motordrehzahl den Regelbereich erreicht, so daß der Gleichrichter 12
und der Wechselrichter 16 lediglich für die Spannung im Regelbereich ausgelegt werden
müssen.
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Beim Anlauf des Motors 2 gegen ein mit der Drehzahl steigendes Belastungsmoment
nach Fig.2 wird das Anlaufkommando zweckmäßig durch Einschalten des Leistungsschalters
3 gegeben, nachdem der Wechselrichter 16 und die Stromversorgung für den Regelkreis
eingeschaltet sind und durch geeignete Schaltmaßnahmen, beispielsweise durch eine
Zusatzeinspeisung auf den Eingang des Stromreglers, im Gleichstromzwischenkreis
ein nicht löckender Strom fließt. Die Anlaufwiderstände 9, 10 und 11 sind eingeschaltet.
Mit dem Einschalten des Schalters 3 wird auf den Eingang des Drehzahlreglers 30
zur Zeit t1 ein Signal für den Drehzahlsollwert von z. B. n"=7V, entsprechend 70%
der Nenndrehzahl des Motors 2, gegeben. Die Anlaufwiderstände 9 bis 11 werden in
Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Stromreglers 32 stufenweise ausgeschaltet.
Der Drehzahlregler 30 ist mit einer Ausgangsbegrenzung versehen, welche sein Ausgangssignal
und damit den Stromsollwert für den Stromregler 32 begrenzt, welcher zu Beginn des
Anlaufes durch hohe Wechselrichteraussteuerung des Stromrichters 16 entsprechend
der hohen Läuferstillstandsspannung den vorgegebenen Strom Igl im Gleichstromzwischenkreis
herstellt. Beim Anlauf des Motors 2 wird die im Läufer induzierte Spannung kleiner.
Da mit konstantem Strom angefahren werden soll, muß dementsprechend auch die Gegenspannung
durch kleinere Aussteuerung des Stromrichters 16 vermindert werden. Sobald die Gegenspannung
des Stromrichters 16 annähernd Null ist, wird eine Stufe der Anfahrwiderstände 9
bis 11 ausgeschaltet, und der Stromrichter arbeitet wieder mit hoher Wechselrichteraussteuerung.
Wenn mit steigender Drehzahl des Motors 2 die Gegenspannung wieder auf einen vorbestimmten
Wert gesunken ist, wird die folgende Widerstandsstufe ausgeschaltet. Sobald die
Drehzahl den Regelbereich erreicht hat, werden die Anlaufwiderstände überbrückt.
Beim Ausschalten der Widerstandsstufen wird durch die ohne Zeitverzögerung einsetzende
hohe Wechselrichteraussteuerung des Stromrichters 16 ein Stromstoß im Gleichstromzwischenkreis
nahezu verhindert. Somit läuft der Antrieb mit dem vorgebenen Strom 1g1 an, bis
zur Zeit t2 der Drehzahlistwert n angenähert dem Drehzahlsollwert entspricht.
Dann wird der Strom auf einen Wert 1g. vermindert, der zur Erzeugung eines dem Lastmoment
gleichen Drehmomentes an der Motorwelle erforderlich ist.
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Nach Fig. 3 wird zur Zeit t3 bei unverändertem Lastmoment ein erhöhter
Drehzahlsollwert, beispielsweise die Nenndrehzahl, vorgesehen. Der Stromregler erhöht
den Strom im Gleichstromzwischenkreis auf einen Wert 1g3, mit welchem der Antrieb
hochläuft, bis bei t4 die vorgegebene Drehzahl n4 erreicht ist, und der Strom wird
dann auf einen dem Lastmoment entsprechenden Wert vermindert. Zur Zeit t5 wird ein
kleinerer Drehzahlsollwert vorgegeben. Der Strom wird auf einen sehr kleinen Wert
1g5, welcher der Lückgrenze im Gleichstromzwischenkreis entspricht, herabgesetzt,
und der Antrieb wird durch das Gegenmoment auf die vorgegebene Drehzahl n6 abgebremst,
bei welcher der Gleichstrom wieder auf einen dem Lastmoment entsprechenden Wert
erhöht wird.