-
Anordnung zum Betrieb eines über Wechselrichter gespeisten Mehrphasen-Synchronmotors
mit einstellbarem Polradwinkel bei beliebiger Drehzahl Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, einen Mehrphasen-Synchronmotor, der in einer Anordnung über im Schaltbetrieb
mit einer im Vergleich zur Motomennfrequenz sehr hohen Frequenz arbeitende Wechselrichter
aus einem Gleichstromnetz gespeist wird, so zu betreiben, daß sein Polradwinkel
bei beliebiger Drehzahl einstellbar ist.
-
Es ist bereits eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Mehrphasen-Synchronmotors
bekannt, bei der der Synchronmotor von Wechselrichtern gespeist wird, deren Ausgangsgröße
in ihrer Amplitude und ihrer Frequenz einstellbar ist. Dabei wird die Spannung zur
Steuerung der Ausgangsgröße des Wechselrichters von einem Drehtransformator abgegriffen,
welcher durch eine mit dem Synchronmotor gekuppelte Drehstromtachometermaschine
erregt wird. Über eine Verstelleinrichtung wird der Drehtransformator entsprechend
der vorgegebenen Drehzahl fortlaufend verstellt. Im Prinzip könnte die bekannte
Anordnung auch zur Erzwingung eines konstanten Polradwinkels verwendet werden. Die
bekannte Anordnung hätte dann aber den Nachteil, daß ein relativ komplizierter Drehtransformator
erforderlich ist und daß dieser Drehtransformator durch seine zusätzlichen Induktivitäten
die Stabilität der Regelanordnung beeinträchtigt.
-
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird nach der Erfindung
eine Anordnung der eingangs angegebenen Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Größe und Frequenz der Ausgangsspannungen oder der Ausgangsströme der
den Synchronmotor speisenden Wechselrichter durch sinusförmige, von einer mit dem
Synchronmotor gekuppelten Drehstromtachometermaschine abgegriffene Sollspannungen
vorgegeben sind und daß zwischen die Wellen des Synchronmotors und der Drehstromtachometermaschine
ein Glied eingefügt ist, das die gegenseitige Winkellage dieser Welle einzustellen
gestattet.
-
Abgesehen von dem andersartigen Zweck, dem die im zweiten Absatz geschilderte
bekannte Anordnung dient, ist die Anordnung nach der Erfindung gegenüber der bekannten
Anordnung durch ihre größere Einfachheit und durch ihre größere Regelstabilität
gekennzeichnet.
-
F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei der Erläuterung
dieser Figur bleiben zunächst die Widerstände 9 a und 9 b außer Betracht. Die Ankerwicklungsstränge
1 a bis 1 c eines Mehrphasen-Synchronmotors l werden über drei Wechselrichter 2
a bis 2 c aus einer Gleichspannungsquelle 4 gespeist. Diese Gleichspannungsquelle
liefert auch den Erregerstrom für die Polradwicklung 1 d. Die Wechselrichter
2 a bis 2 c sind derart beschaffen, daß die von ihnen gelieferten Motorspannungen
oder Motorströme hinsichtlich ihrer Amplitude und ihrer Frequenz von sinusförmigen
Sollspannungen aas geführt werden. Hierzu werden die Sollspannungen u, mit Istspannungen
u1 in drei Summierungspunkten 3 a bis 3 c verglichen. Die Istspannungen ac= bilden
die den Motor speisenden Spannungen oder Ströme ab. Mit dem Läufer des Synchronmotors
l ist über ein Glied 5 eine Drehstromtachometermaschine 6 gekuppelt. Das Glied 5
gestattet, die gegenseitige Winkellage (Polradwinkel 0) zwischen den Wellen des
Synchronmotors und der Tachometermaschine zu verstellen. Die Tachometermaschine
6 liefert die Sollspannungen ass für die den Motor speisenden Spannungen oder Ströme.
-
Unabhängig von der Drehzahl oder der Belastung des Synchronmotors
behält der Polradwinkel 0 des Synchronmotors (wobei ein Motor mit der Polpaarzahl
1 angenommen wird) den durch das Glied 5 vorgegebenen Wert. Wird über das Glied
5 ein anderer Polradwinkel vorgegeben, so ändert sich die Phasenlage der Sollspannungen
u", die ihrerseits eine Veränderung der Phasenlage der den Motor speisenden Spannungen
bewirken, so daß der Polradwinkel des Motors sich auf den neuen Wert einstellt.
-
Für das von dem Synchronmotor abgegebene Drehmoment M gilt. -M
- 0 IA sin,0.
-
Darin bedeutet 0 den von der Polradwicklung erregten magnetischen
Fluß und IA den Ankerstrom des Synchronmotors. Der Fluß 0 ist konstant, solange
der Polraderregerstrom konstant ist. Man erkennt,
daß, wenn der
Polradwinkel 0 auf den Wert 90° eingestellt wird, der Motor in bekannter Weise (an
der Kippgrenze) sein größtes Drehmoment entwickelt.
-
Man kann die Anordnung nach der Erfindung auch dazu benutzen, den
Motor mit einem von der Drehzahl unabhängigen Drehmoment zu betreiben, wobei die
Größe dieses Drehmoments durch das Glied 5 eingestellt werden kann. Solange der
Ankerstrom 1A in Abhängigkeit von der Sollspannung u,
geregelt wird, steigt
das Drehmoment proportional mit der Drehzahl, da ja die von der Tachometermaschine
gelieferte Sollspannung u, drehzahlproportional ist. Wenn man jedoch die den Motor
speisende Spannung UA in Abhängigkeit der Sollspannung u, regelt, dann wird der
Ankerstrom 1A und damit das Drehmoment annähernd konstant bleiben, denn mit Erhöhung
der Drehzahl wachsen auch sämtliche induktiven Widerstände der Wicklungen, so daß
bei drehzahlproportionalem Anwachsen der Spannung UA der Ankerstrom 1A konstant
bleibt.
-
Die Regelung des Ankerstroms in Abhängigkeit von der Sollspannung
u, hat jedoch den Vorteil, daß der Motor mit einem sinusförmigen Strom gespeist
wird. Um daher trotz Regelung des Ankerstroms ein von der Drehzahl unabhängiges
Moment zu erzielen, wird nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die
von der Tachometermaschine 6 gelieferten Sollspannungen von der Drehzahl unabhängig
zu machen. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß an die Ausgangsklemmen
der Drehstromtachometermaschine Reihenschaltungen aus je einem Konstantstromwiderstand
und einem spannungsunabhängigen Widerstand angeschlossen sind und daß die Spannungen
an den spannungsunabhängigen Widerständen als Sollspannungen für die Regelung der
Wechselrichterausgangsgrößen dienen.
-
In F i g. 1 sind die erforderlichen Widerstände eingetragen. Jeder
Wicklungsstrang der Tachometermaschine 6 ist durch die Reihenschaltung zweier Widerstände
9a, 9b belastet. Dabei ist je einer dieser Widerstände 9a ein Konstantstromwiderstand,
während die anderen Widerstände 9 b spannungsunabhängig sind. Die Spannungen an
den spannungsunabhängigen Widerständen 9 b sind also unabhängig von der Drehzahl
der Tachometermaschine. Werden die Sollspannungen u, durch die Spannungen
u,' an den spannungsunabhängigen Widerständen 9 b ersetzt, dann ist
das vom Synchronmotor gelieferte Drehmoment auch bei Regelung des Ankerstroms von
der Drehzahl unabhängig.
-
Die Wechselrichter 2 a bis 2 c können in einer bereits vorgeschlagenen
Weise aufgebaut sein. Das Wesentliche dieser Wechselrichter besteht darin, daß sie
als Schaltwechselrichter ausgeführt sind, die mit einer Frequenz arbeiten, die sehr
groß ist gegenüber der für die Speisung des Motors erforderlichen Frequenz. Das
Breitenverhältnis der abwechselnd aufeinanderfolgenden positiven und negativen Rechteckhalbwelle
dieser hochfrequenten Wechselrichterspannung ist steuerbar. Dadurch überlagert sich
der hochfrequenten Wechselspannung eine niederfrequente Mittelwertspannung.
-
In F i g. 2 und 3 sind diese Verhältnisse dargestellt. F i g. 2 zeigt
die hochfrequente Ausgangswechselspannung des Wechselrichters. Die abwechselnd aufeinanderfolgenden
positiven und negativen Rechteckhalbwellen sind diesem Beispiel gleich breit, d.
h., das Breitenverhältnis tl/t, hat den Wert eins. Die niederfrequente Mittelwertspannung
ist Null. In F i g. 3 ist das Breitenverhältnis t1/t, entsprechend den Augenblickswerten
einer führenden sinusförmigen Wechselspannung verändert. Die Mittelwertspannung
Um schwankt sinusförmig, so daß der hochfrequenten Ausgangsspannung U, der Wechselrichter
eine niederfrequente Unterwellenspannung UM unterlagert ist. Diese Unterwellenspannung
ist die die Ankerwicklung speisende Spannung. Zwischen dem Ausgang des Wechselrichters
und der Ankerwicklung können in bekannter Weise Siebmittel zur Fernhaltung der hochfrequenten
Spannung vom Motor eingeschaltet sein.