DE1243266C2 - Einrichtung zum Steuern oder Regeln der Wirk- und Blindleistungsaufnahme und -abgabevon Asynchronmotoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. CL:

H 02 k-17/34

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

H 02 ρ-7/74
Deutsche Kl.: 21d2-29

Nummer: 1243 266

Aktenzeichen: P 12 43 266.5-32 (A 47233)

Anmeldetag: 2. Oktober 1964

Auslegetag: 29. Juni 1967

Ausgabetag: 4. Januar 1973

Patentschrift weicht von der Auslegeschrift ab

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln der Wirk- und Blindleistungsaufnahme und -abgabe einer an ein erstes Netz angeschlossenen Asynchronmaschine, die mit einer auf ein zweites Netz geschalteten Synchronmaschine mechanisch gekuppelt ist, wobei zur Istwerterfassung der Wirk- und Blindleistung zwei Multiplikatoren vorgesehen sindj denen jeweils ein Soll-Ist-Vergleichsglied nachgeschaltet ist, wobei die als Gleichspannungen abgebildeten Regelabweichungen die Amplitude zweier um 90° el. phasenverschobener Wechselspannungen steuern und die Summe dieser beiden Wechselspannungen einem Frequenzwandler zugeführt ist, der dem Läufer der Asynchronmaschine über eine Verstärkereinrichtung einen dem jeweiligen Leistungsaüstausch nach Betrag und Phase entsprechenden Strom mit Schlupffrequenz liefert.

Eine derartige Einrichtung ist bei Netzküpplungen zwischen asynchronen Netzen, beispielsweise zwischen dem Landnetz und dem Bahnnetz, zweckmäßig. Hierbei können die Netze ihre Frequenz unabhängig von der Leistung ändern. In diesem Fall wird die Leistungsübergabe von einem Netz zum anderen von der Regeleinrichtung über die Asynchronmaschine erzwungen, wobei der Schlupf der Frequenzdifferenz zwischen den Netzen entsprechen muß.

Zu diesem Zweck ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt (BBC-Mitteilungen, Juni 1959, S. 344 bis 347). Dort ist für die Steuerung der Amplitude der beiden um 90° el. phasenverschobenen Wechselspannungen eine Synchronsteuergrüppe vorgesehen, bestehend aus einem Synchronnlotor als Antrieb und zwei mit ihm gekuppelten Synchrongeneratoren, deren Wicklungsachsen entsprechend gegeneinander verdreht sind. Die Surüine dieser beiden Wechselspannungen wird einem rotierenden Frequenzwandler zugeführt, dem als Verstärkereinrichtung eine Scherbiusgruppe nachgeschältet ist.

Die große Anzahl von rotierenden Maschinen und Teilen ist dort trotz der an sich guten Und zuverlässigen Betriebsweise infolge des großen Raumbedarfes und der erforderlichen Wartung als aufwendig anzusehen. Dazu kommt noch, daß zur Erreichung einer raschen Regelung gegebenenfalls auftretende Pendelungen der Synchronmotoren zusätzlich äusgeregelt werden müssen. Für die Regelung der Drehzahl und des Drehmomentes von umrichtergesteüerten Asynchronmotoren sirid bereits elektronische Anordnungen bekanntgeworden .(schweizerische Patentschrift 331660), welche ohne drehende Teile auskommen. Diese arbeiten mit der Verschiebung des Zündwinkels der Strorririchtergefäße. Der Rotor solcher Asyn-Einrichtung zum Regeln der Wirk- und
Blindleistungaufnahme und -abgabe einer mit
einer Synchronmaschine gekuppelten
Asynchronmaschine

Patentiert für:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Qe.,

Baden (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Kluge, Patentanwalt,

7981 Kadelburg

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Herbert Stemmler, Wettingen (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 10. September 1964 (11 842)

chronmaschinen wird durch Umrichterbrückenschaltungen gespeist, die entsprechend dem erforderlichen Schlupf der Asynchronmaschine so gesteuert werden, daß sie die Drehzahl und das Drehmoment durch Verändern des Rotorströrnes nach Betrag Und Phase regeln können.

Ringttiodülatören als Frequenzwandler in der Meßtechnik zur phasenrichtigen Gleichrichtung einzusetzen, ist bekannt (Elektronik 1959, Nr. 4, S. 114 und 115). Zur Steuerung steuerbarer Halbleiter von Modulationsschaltungen ist es unter anderem bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 065 080, Anspruch 8), einer Steuerspannung eine Dreieckspannung höherer Frequenz zu überlagern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der Anordnung nach »BBC-Mitteilungen«, 1959, S. 345, Bild 15, die Anzahl der rotierenden Maschinen noch weiter zu verringern. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Regelabweichungs-Gleichspannungen, jeweils mit einer dreieckförmigen, höherfreqüenten Wechselspannung zu einer Steuerspannung summiert, auf erste Steuereihgänge von Ringmodulatoren geführt sind, deren zweite Steuereingänge mit je einer der aus dem ersten Netz entnommenen* gegeneinander um 90° el. phasenverschobenen Wechselspannungen beaufschlägt sind, und daß die Summe der Ausgarigsspanhungen dieser Ringmodulatören als erste Eingangsgröße jedem von

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drei als Ringmodulatoren ausgebildeten Frequenzwandlern zugeführt ist, denen als zweite Eingangsgröße jeweils eine Phasenspannung eines Dreiphasen-Spannungsgebers mit einer der Drehzahl der Asynchronmaschine entsprechenden Frequenz zugeführt ist, und in deren Ausgängen Filter angeordnet sind, die nur die Schlupffrequenz-Spannungen durchlassen.

In der Fig. 1 ist ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes genauer beschrieben. In der F i g. 2 ist die Wirkungsweise eines Ringmodulators und in der F i g. 3 die Steuerung durch die dreieckförmige Spannung genauer dargestellt.

In der Fig. 1 ist mit 1 das erste Netz, in diesem Fall ein Drehstromnetz mit Nulleiter, und mit 2 das zweite Netz, ein zweiphasiges Bahnnetz, bezeichnet. Am Netz 2 ist die Synchronmaschine 3, am Netz 1 die Asynchronmaschine 4 angeschlossen. Beide Maschinen sind miteinander gekuppelt. Die Frequenz der von der Synchronmaschine erzeugten Spannung entspricht dann der Drehzahl der Asynchronmaschine, welche einen bestimmten Schlupf besitzt. Dieser Schlupf ist bestimmt aus der Differenz der Frequenzen beider Netze unter Berücksichtigung der verschiedenen Polzahlen. Außerdem ist an der Achse noch die Maschine 5 angeschlossen, welche die Drehzahl bzw. Frequenz feststellt und an die Regeleinrichtung weitergibt. Die Läuferwicklung der Asynchronmaschine ist herausgeführt und mit dem Umrichtersatz 6 verbunden. Dieser beeinflußt den Rotorstrom. Hierbei ist es wie bei einer Scherbiusmaschme möglich, den Strom im Läufer der Phase und Größe nach zu bestimmen. Dadurch ist es möglich, die Leistung der Asynchronmaschine und damit die Aufnahme oder Abgabe der Leistung beider Netze unabhängig vom Schlupf zu beeinflussen. Man kann also durch die Steuerung der Umrichteranordnung 6 die Leistung der Asynchronmaschine in bestimmter Weise vorschreiben. Die Änderung der Übergabeleistung wird durch die Höhe der an der Umrichteranordnung entstehenden Spannungen und ihre Phase festgelegt. Diese dem Läufer zugeführte Spannung ist mit U_L bezeichnet. Sie muß also jede Amplitude und Phasenlage annehmen können. Dies läßt sich erreichen, indem eine Steuergröße zur Erzeugung der Spannung Uι aus zwei aufeinander senkrecht stehenden Komponenten zusammengesetzt wird, deren Amplitude einzeln geändert werden kann. Diese beiden Komponenten sind mit U_5n und U_5q bezeichnet. Die Frequenz von U_L ist gleich der Schlupffrequenz des Asynchronmotors, welche je nach dem Frequenzunterschied der beiden Netze unter Berücksichtigung der Polzahl verschieden sein kann. Es kann also unabhängig von diesem Schlupf wie bei der Scherbiusmaschine die Übergabeleistung in beiden Richtungen eingestellt werden.

Die beiden Komponenten U₅₁, und U_5q werden nun auf folgende Weise gewonnen:

In der Zuleitung zum Asynchronmotor liegen zwei Stromwandler 7 und 8, deren Strom in bekannter Weise in eine Spannung U_{1 q} und U_1n umgesetzt und je einem Modulator 9 und 10 als Multiplikator zugeführt wird. Diese Modulatoren erhalten ferner eine Steuerspannung, welche aus der Netzspannung selbst gewonnen wird, und zwar wird dem Modulator 9 als Steuerspannung U_ST die zur dem Strom ensprechenden Phasenspannung senkrechte Spannung, dem Modulator 10 die dem Strom entsprechende Spannung U_R selbst zugeführt. Am Ausgang dieser Modulatoren, welche in bekannter Weise Ringmodulatoren sein können, erscheinen Gleichspannungen U_{2 p} und

U_{2 q}, welche nach Glättung (22, 23) der tatsächlichen Wirk- bzw. Blindleistung proportional sind. Diese Spannungen, welche also den Ist-Werten der Wirk- und Blindleistung proportional sind, werden nun mit den verlangten Soll-Werten U₁, _soU und U_{q soll} in den Verstärkern 11 und 12 verglichen. Ihre Differenz wird als Steuergröße U_aq und CZ_{3 n} den Überlagerungsgliedern 13 und 14 zugeführt. Dort werden diese Größen mit einer höher frequenten dreieckförmigen Wechselspannung U_DR überlagert, welche in dem Hilfsgenerator 15 elektronisch erzeugt wird. Diese mit der Steuergröße überlagerte Hilfsspannung wird nun als Steuerspannung U_iP und U_lq für weitere Ringmodulatoren 16 und 17 benutzt. Am Eingang dieser Modulatoren liegen die gleichen aufeinander senkrechten Spannungen, wie bei den Modulatoren 9 und 10, also U_ST und U_R. Diese Steuerung hat zur

ze Folge, daß am Ausgang eine angenäherte Sinusspannung erscheint, deren Amplitude proportional der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der Wirk- bzw. Blindleistung ist. Die Frequenz ist gleich der Frequenz desjenigen Netzes, an das die Asynchronmaschine angeschlossen ist.

Die Frequenz dieser Steuergrößen muß nun umgewandelt werden. Sie müssen die Schlupffrequenz erhalten, da sie ja dem Läufer der Asynchronmaschine zugeführt werden sollen. Dies geschieht mit drei als Ringmodulatoren ausgebildeten, den Phasen entsprechenden Frequenzwandlern 18, 19 und 20. Jedes dieser drei Glieder erhält am Eingang die Summe der beiden Teilspannungen U_5n und EZ_{5 q}. Sie werden durch eine Spannung mit Rotorfrequenz gesteuert, welche in dem Synchrongenerator 5 erzeugt und über den Transformator 21 weitergegeben wird. Durch diese Steuerung entsteht am Ausgang eine mit der Schlupffrequenz sich ändernde und den drei Phasen entsprechende Steuerspannung U_stR, U_sts, U_stT. Diese Spannungen steuern nun die im einzelnen nicht dargestellte Umrichteranordnung 6 der Phase und Größe nach. Dadurch entsteht die Spannung U_L, die in den Läufer der Asynchronmaschine eingeführt wird und damit die Blind- und Wirkleistung der Maschine regelt.

Im einzelnen werden nun noch Beispiele für die Ausführung und Wirkungsweise der verschiedenen Elemente angegeben. Die Modulatoren seien als Ringmodulatoren ausgeführt. Sie besitzen die Schaltung nach F i g. 2 a. Die Eingangsspannung sei U_E, welche also bei dem Modulator 9 der Spannung U_{1 q} entsprechen würde. Diese Spannung wird an den Widerstand 24 gegeben. Die Ausgangsspannung wird an dem Widerstand 25 abgenommen. Die beiden Widerstände sind durch die Dioden 26 bis 29 miteinander verbunden. Außerdem wird eine Steuerspannung U_st an den Übertrager 30 angelegt. Diese Steuerspannung entspricht beim Modulator 9 der Spannung U_ST. Sie gibt ihr Potential an die Widerstände 24 und 25. Wird nun beispielsweise das Potential am Abgriff des Widerstandes 24 durch die Steuerspannung U_st positiv, so werden damit die Dioden 26 und 29 leitend, und die Ausgangsspannung U_A ist in diesem Fall gleich der Eingangsspannung U_E. Ist aber die Steuerspannung U_s. entgegengesetzt gepolt, so werden die Dioden 27 und 28 leitend, und am Ausgang erscheint dann die entgegengesetzte Spannung wie am Eingang. Diese Verhältnisse sind in der

Fig. 2b dargestellt. Solange die Steuerspannung U_st positiv ist, ist U_E gleich U_A, sobald aber U_st negativ wird, dreht sich die Richtung von U_A gegenüber U_E um. Dadurch entsteht eine wellige Gleichspannung, die geglättet den Wert U_A annimmt. Die Glättung erfolgt in den Gliedern 22 und 23 in der F i g. 1.

Ferner sei die Bedeutung der Dreieckspannung näher erläutert: Die Differenz von Soll- und Ist-Wert wird dem Überlagerungsglied 13 bzw.' 14 zugeführt. Dort wird die Differenz mit der in bekannter Weise erzeugten Dreieckspannung U_Dr überlagert. Hierbei entsteht eine um diese Differenz verschobene Dreieckspannung, wie F i g. 3 zeigt. Diese hat dann beispielsweise die angegebene Form. Dort ist U₄ dargestellt, das also entweder U_iq oder U_ip sein kann. Diese wirken auf einen weiteren, wie in der F i g. 2 a geschalteten Modulator 16 oder 17 als Steuerspannung. Die zugeführte Spannung U_ST oder U% erhält dadurch die Form, wie im unteren Teil der F i g. 3 dargestellt ist. Es entsteht eine angenäherte Sinusform mit der Frequenz des Netzes, an dem die Asynchronmaschine angeschlossen ist.

Die Frequenzwandler 18 bis 20 werden von den einzelnen Phasen der Spannung mit um die Schlupffrequenz verringerter Frequenz gespeist. Hierbei entstehen auf ähnliche Weise Spannungen, welche die Summe der einzelnen Frequenzen und ihre Differenz besitzen. Die Differenzfrequenz entspricht der Schlupffrequenz. Diese wird in Filtern ausgesiebt und dann zur Steuerung der Umrichtergruppe in bekannter Weise benutzt.

Der Generator5 besitzt die Drehzahl des Übergabeaggregates. Er kann einen permanenten Magneten als Erregerkreis besitzen. Die in ihm entstehende Frequenz ist dann der Drehzahl, also der um die Schlupffrequenz verminderten Netzfrequenz, proportional.

Man kann nun noch eine Rückführungseinrichtung in bekannten Weise vorsehen, welche in F i g. 1 durch die Einrichtung 31 gestrichelt angedeutet ist und den im Rotor fließenden Strom der Größe, Phase und Frequenz nach in den Steuerkreis der Umrichter zurückführt.

Es ist nun nicht unbedingt nötig, die Umrichtereinrichtung vorzusehen. Die Schlupffrequenz-Spannungen an den Ausgängen der Frequenzwandler 18 bis 20 können auch über einen Verstärker an eine Scherbiusmaschine gegeben werden, welche den Umrichtersatz 6 ersetzt.

Durch die beschriebene Anordnung, bei welcher fast alle Elemente aus elektronischen Mitteln aufgebaut sind, also auch die Frequenzumformung statisch gemacht wird, wird eine raumsparende Einrichtung erhalten, welche bei gleicher Zuverlässigkeit wie die bekannten Anordnungen ohne dauernde Überwachung betrieben werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Regeln der Wirk- und Blindleistungsaufnahme und -abgabe einer an ein erstes Netz angeschlossenen Asynchronmaschine, die mit einer auf ein zweites Netz geschalteten Synchronmaschine mechanisch gekuppelt ist, wobei zur Istwerterfassung der Wirk- und Blindleistung zwei Multiplikatoren vorgesehen sind, denen jeweils ein Soll-Ist-Vergleichsglied nachgeschaltet ist, wobei die als Gleichspannungen abgebildeten Regelabweichungen die Amplitude zweier um 90° el. phasenverschobener Wechselspannungen steuern und die Summe dieser beiden Wechselspannungen einem Frequenzwandler zugeführt ist, der dem Läufer der Asynchronmaschine über eine Verstärkereinrichtung einen dem jeweiligen Leistungsaustausch nach Betrag und Phase entsprechenden Strom mit Schlupf frequenz liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichungs-Gleichspannungen (EZ_{3 p}, U₃₁₁), jeweils mit einer dreieckförmigen, höherfrequenten Wechselspannung (U_Dr) zu einer Steuerspannung (U_iP, U_iv) summiert, auf erste Steuereingänge von Ringmodulatoren (17, 16) geführt sind, deren zweite Steuereingänge mit je einer der aus dem ersten Netz entnommenen, gegeneinander um 90° el. phasenverschobenen Wechselspannungen (U%, U_ST) beaufschlagt sind, und daß dieSumme der Ausgangsspannungen (U₅₁,, U_&q) dieser Ringmodulatoren als erste Eingangsgröße jedem von drei als Ringmodulatoren ausgebildeten Frequenzwandlern (18, 19, 20) zugeführt ist, denen als zweite Eingangsgröße jeweils eine Phasenspannung eines Dreiphasen-Spannungsgebers (5) mit einer der Drehzahl der Asynchronmaschine entsprechenden Frequenz zugeführt ist, und in deren Ausgängen Filter angeordnet sind, die nur die Schlupffrequenz-Spannungen (Ust_R, U_sts, U_stT) durchlassen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgeber (5) permanenterregt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung ein ruhender Umrichtersatz (6) ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 649 728;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 065 080;

schweizerische Patentschrift Nr. 331 660;

französische Patentschriften Nr. 1 093 594,
1251191;

Elektrotechnik und Maschinenbau, 1939, S. 581 bis 591;

Brown Boveri Mitteilungen, 1959, S. 328 bis 349;

Elektronik, 1959, Nr.

4, S. 114 und 115.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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