DE1267319B

DE1267319B - Arrangement for controlling a three-phase asynchronous motor with slip ring rotor

Info

Publication number: DE1267319B
Application number: DEP1267A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Floris Koppelmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1963-10-03
Filing date: 1963-10-03
Publication date: 1968-05-02

Description

Anordnung zur Steuerung eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Schleifringläufer Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Schleifringläufer in allen vier Quadranten seiner Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik mit Hilfe von antiparallelen Thyristoren zwischen den Leitern R, S, T eines Drehstromnetzes und den Klemmen U, V, W der Statorwicklung des Motors.Arrangement for controlling a three-phase induction motor with slip, the invention relates to an arrangement for controlling a three-phase induction motor with slip in all four quadrants of its speed-torque characteristic with the aid of anti-parallel thyristors between the conductors R, S, T of a three-phase network, and the terminals U, V, W of the stator winding of the motor.

Die Erfindung besteht in der Kombination folgender Merkmale: a) Jeder Leiter R und T ist über je zwei antiparallele Thyristoren mit den Klemmen U und W, b) der Leiter S ist über zwei antiparallele Thyristoren mit der Klemme V, über einen mit Durchlaßrichtung zur Statorwicklung weisenden Thyristor mit der Klemme U und über einen mit Durchlaßrichtung zum Drehstromnetz weisenden Thyristor mit der Klemme W und c) die Rotorwicklung ist über einen ungesteuerten Gleichrichtersatz mit einer elektronischen Pulsschaltvorrichtung und einem konstanten ohmschen Widerstand verbunden.The invention consists in the combination of the following features: a) Each conductor R and T is via two anti-parallel thyristors with the terminals U and W, b) the conductor S is via two anti-parallel thyristors with the terminal V, via one with forward direction to the stator winding pointing thyristor with terminal U and a thyristor pointing forward to the three-phase network with terminal W and c) the rotor winding is connected via an uncontrolled rectifier set to an electronic pulse switching device and a constant ohmic resistance.

Beim Betrieb von Asynchronmotoren, insbesondere mit Schleifringläufer, ist es bekannt, auf der Statorseite antiparallele steuerbare Siliziumhalbleiter vorzusehen, die je nach dem Betriebszustand des Motors verschiedenartig gesteuert werden. Ferner ist es nicht mehr neu, mit derartigen steuerbaren Siliziumzellen auch auf der Rotorseite den Wirkstrom stetig zu regeln. Jedoch erst durch die erfindungsgemäße Kombination von Thyristoren sowohl auf der Stator- als auch auf der Rotorseite läßt sich ein kontaktloser Betrieb des Drehstrommotors im gesamten Drehzahl-Drehmoment-Bereich mit einem vorteilhaft unvergleichbar geringen Aufwand für Motor- und Bremsbetrieb vorwärts und rückwärts erreichen. Insbesondere ist der erforderliche Aufwand auch geringer als der beim Betrieb eines solchen Motors über einen Umrichter oder Wechselrichter.When operating asynchronous motors, especially with slip ring rotors, it is known to have anti-parallel controllable silicon semiconductors on the stator side provide, which are controlled differently depending on the operating state of the engine will. Furthermore, it is no longer new with such controllable silicon cells to regulate the active current continuously on the rotor side as well. However, only through the inventive Combination of thyristors both on the stator and on the rotor side contactless operation of the three-phase motor in the entire speed-torque range with an advantageously incomparably low expenditure for motor and braking operation reach forward and backward. In particular, the effort required is too less than when operating such a motor via a converter or inverter.

Die praktische Bedeutung der Erfindung liegt darin, daß keinerlei mechanische Schalter erforderlich sind und daß die Steuerung der Drehzahl und des Drehmomentes des Motors gänzlich stetig erfolgen kann. Außerdem erfolgt die Steuerung des Motors auf andere gewünschte Drehzahlen und die Umkehrung der Drehrichtung mit größtmöglicher Beschleunigung.The practical importance of the invention is that none mechanical switches are required and that the control of the speed and des Torque of the motor can take place completely steadily. Control also takes place of the motor to other desired speeds and the reversal of the direction of rotation greatest possible acceleration.

An Hand der Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Der Motor wird statorseitig über zwölf Thyristoren, die je nach dem Betriebszustand verschiedenartig gesteuert werden, aus einem Drehstromnetz RST gespeist. Auf der Rotorseite befindet sich ein ungesteuerter Gleichrichtersatz 20, der über eine Drossel 18 mit einem festen Widerstand 19 verbunden ist. Der im Betrieb wirksame Widerstand kann durch eine elektronische Pulsschaltung im Bereich von 0 bis R geändert werden. Die elektronische Pulsschaltung besteht in bekannter Weise aus einem Thyristor 13, der von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung gezündet und durch einen Löschkondensator 17 periodisch gelöscht werden kann, und zwar durch Zünden eines Thyristors 14. Eine Diode 15 und eine Drossel 16 dienen zur erforderlichen Umladung des Kondensators 17. Mit Hilfe der Anordnung im Rotorstromkreis ist es möglich, bei voller Drehzahl das Drehmoment dadurch von 0 bis zu einem Sollwert zu ändern, daß die zum Widerstand 19 parallelliegende Pulsschaltung verschieden lange gezündet wird. Bei Stillstand des mit voller Netzspannung gespeisten Motors läßt sich jedoch nur der Sollwert des Drehmomentes erreichen, da hier die größte Rotorspannung auftritt und der durch den Widerstand 19 fließende Strom dem Nennmoment entspricht (dafür ist der Widerstand 19 bemessen). Will man bei Stillstand und bei Teildrehzahlen kleinere Drehmomente erzielen, so kann dies dadurch geschehen, daß die Statorspannung vermindert wird. Letzteres ist möglich durch eine entsprechende Steuerung der Thyristoren auf der Statorseite, und zwar werden für eine bestimmte Drehrichtung nur die Thyristoren 1, 2, 6, 7,11,12 gezündet und alle anderen gesperrt. Wenn diese Zündung rechtzeitig erfolgt, so liegt dabei der Motor an der vollen Drehspannung des Netzes RST. Wenn die Zündung dieser Thyristoren (entsprechend der Anschnittsteuerung von Stromrichtern) verzögert wird, so läßt sich der vom Motor aufgenommene Strom bzw. die am Motor anliegende Spannung vom vollen Wert bis auf Null heruntersteuern. Dabei treten gewisse Oberwellen auf, die jedoch in erträglichen Grenzen bleiben, so daß das Arbeiten des Motors nur wenig beeinträchtigt wird. In Verbindung mit der elektronischen Pulsschaltung des Widerstandes 19 läßt sich auf diese Weise der gesamte Drehzahl-Drehmoment-Bereich für motorischen Betrieb in einer Drehrichtung kontaktlos und stetig bestreichen.A schematic exemplary embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing. On the stator side, the motor is fed from a three-phase network RST via twelve thyristors, which are controlled in different ways depending on the operating status. On the rotor side there is an uncontrolled rectifier set 20 which is connected to a fixed resistor 19 via a throttle 18. The effective resistance during operation can be changed in the range from 0 to R by an electronic pulse switch. The electronic pulse circuit consists in a known manner of a thyristor 13, which can be ignited by a control device (not shown) and periodically extinguished by an extinguishing capacitor 17 by igniting a thyristor 14. A diode 15 and a choke 16 are used to charge the capacitor as required 17. With the help of the arrangement in the rotor circuit, it is possible at full speed to change the torque from 0 to a setpoint value by igniting the pulse circuit parallel to the resistor 19 for different lengths of time. When the motor supplied with full mains voltage is at a standstill, however, only the nominal value of the torque can be achieved, since this is where the greatest rotor voltage occurs and the current flowing through the resistor 19 corresponds to the nominal torque (the resistor 19 is dimensioned for this). If you want to achieve lower torques at standstill and at partial speeds, this can be done by reducing the stator voltage. The latter is possible through a corresponding control of the thyristors on the stator side, namely only thyristors 1, 2, 6, 7, 11, 12 are ignited for a certain direction of rotation and all others are blocked. If this ignition takes place in good time, the motor is connected to the full three-phase voltage of the network RST. If the ignition of these thyristors is delayed (in accordance with the control of converters), the current consumed by the motor or the voltage applied to the motor can be reduced from the full value to zero. Certain harmonics occur, but they remain within tolerable limits, so that the operation of the engine is only slightly impaired. In connection with the electronic pulse circuit of the resistor 19, the entire speed-torque range for motor operation in one direction of rotation can be covered continuously and without contact.

Wünscht man die umgekehrte Drehrichtung des Motors, so werden statt der Thyristoren 1, 2, 6, 7, 11,12 die Thyristoren 4, 5, 6, 7, 8, 9 gezündet und sämtliche übrigen wie vorher gesperrt. Der Stator des Motors liegt dann je nach dem Zündzeitpunkt dieser Thyristoren an einer Drehspannung umgekehrter Phasenfolge und mit veränderbarer Spannung, so daß der gesamte Drehzahl-Drehmoment-Bereich bei umgekehrter Drehrichtung durchfahren werden kann.If you want the motor to rotate in the opposite direction, instead of thyristors 1, 2, 6, 7, 11, 12, thyristors 4, 5, 6, 7, 8, 9 are triggered and all others blocked as before. The stator of the motor is then depending on the ignition point of these thyristors at a three-phase voltage with reversed phase sequence and with variable voltage, so that the entire speed-torque range at reverse direction of rotation can be traversed.

Soll der Motor abgebremst werden, so ist dies bekanntlich dadurch möglich, daß der Stator mit Gleichstrom erregt wird. Dies ist wiederum mit Hilfe der Statorthyristoren möglich, und zwar dadurch, daß die Thyristoren 1, 3, 4, 9,10,12 gezündet, alle übrigen jedoch gesperrt werden. Die gezündeten Thyristoren bilden dann eine dreiphasige Brückenschaltung, die durch zwei Stränge des Stators einen Gleichstrom schickt, dessen Größe von den Zündzeitpunkten dieser Thyristoren abhängt und infolgedessen durch letztere gesteuert werden kann. Gleichzeitig kann auch der wirksame Betrag des Widerstandes 19 im Rotorstromkreis elektronisch gesteuert werden, so daß sich über den ganzen Drehzahlbereich ein stetig einstellbares Bremsmoment von voller Größe bis auf Null kontaktlos erzielen läßt. Kurz vor dem Stillstand des Motors, d. h. beim Unterschreiten der Nennschlupffrequenz, hört die Wirkung der Gleichstrombremsung auf. Um auch hier noch eine kräftige Bremswirkung zu erzielen bzw. um den Motor schnell zu reversieren, können kurz vor dem Stillstand des Motors die statorseitigen Thyristoren vom Gleichstrombremsbetrieb auf inverses Drehfeld umgeschaltet werden, so daß in Verbindung mit der elektronischen Steuerung des Widerstandes 19 wiederum das volle oder auch ein kleineres, rückläufiges Drehmoment auftritt. Bei dieser Betriebsart wird vermieden, daß im Rotor wesentlich größere Frequenzen als Nennfrequenz auftreten. Infolgedessen treten auch in den Gleichrichterventilen, in den Thyristoren und im Widerstand 19 im Rotorstromkreis keine wesentlich größeren Spannungen als Nennspannung auf.If the motor is to be braked, this is known to be the case possible that the stator is excited with direct current. Again, this is with help the stator thyristors possible, namely that the thyristors 1, 3, 4, 9,10,12 ignited, but all others are blocked. Form the triggered thyristors then a three-phase bridge circuit formed by two strands of the stator one Sends direct current, the size of which depends on the ignition times of these thyristors and consequently can be controlled by the latter. At the same time, the effective amount of resistor 19 in the rotor circuit are electronically controlled, so that there is a continuously adjustable braking torque over the entire speed range can achieve contactless from full size to zero. Just about to come to a standstill of the engine, d. H. if the slip frequency falls below the nominal value, the effect ceases DC braking on. In order to achieve a powerful braking effect here too or to reverse the motor quickly, you can just before the motor comes to a standstill the stator-side thyristors from DC braking operation to inverse rotating field be switched so that in conjunction with the electronic control of the resistance 19 again the full or even a smaller, declining torque occurs. This operating mode avoids having much higher frequencies in the rotor occur as nominal frequency. As a result, also occur in the rectifier valves, in the thyristors and in the resistor 19 in the rotor circuit no significantly larger ones Voltages as nominal voltage.

Die beschriebene Betriebsweise des Motors vermeidet beim Einschalten kurzschlußartige Anlaufströme, wie sie beim üblichen Betrieb von Asynchronmotoren auftreten können. Bei Teildrehzahlen treten zwar im Widerstand 19 Verluste auf, diese sind jedoch verhältnismäßig klein, da man stets mit den statorseitigen Thyristoren die Spannung des Motors möglichst klein einstellen wird.The described mode of operation of the motor avoids when switching on short-circuit-like starting currents, as they are in the normal operation of asynchronous motors may occur. At partial speeds, losses occur in the resistor 19, However, these are relatively small, since you are always working with the stator-side thyristors the voltage of the motor will be set as low as possible.

Mit den heute handelsüblichen Thyristoren lassen sich Motoren am 380-V-Netz mit nur einer Triode in Reihe betreiben. Da die heute üblichen Trioden Ströme von 100 bis 200 A Mittelwert zu führen vermögen, ergeben sich mit zwölf Statorthyristoren Leistungen von 100 bis 300 kW. Durch entsprechende Auslegung der Thyristoren und des Widerstandes 19 kann der Motor vorübergehend auch mit doppeltem oder noch größerem Strom und entsprechend vergrößertem Drehmoment betrieben werden.With today's commercially available thyristors, motors can be connected to the 380 V network operate with only one triode in series. Since the triodes common today have currents of A mean value of 100 to 200 A is obtained with twelve stator thyristors Power from 100 to 300 kW. By appropriate design of the thyristors and of the resistor 19, the motor can temporarily also double or even larger Current and correspondingly increased torque can be operated.

Bei der Gleichstromerregung des Stators muß der dann im Statorkreis wirksame Gleichrichter fast um 90° zündverzögert werden, da der Gleichstrom nur durch den ohmschen Widerstand des Stators begrenzt wird und letzterer außerordentlich klein ist. Es treten dann in der Gleichspannung bei sechspulsiger Gleichrichtung Spannungsoberwellen auf, deren Grundfrequenz (bei 50 Hz Netzfrequenz 300 Hz) 24,% der vollen Gleichspannung beträgt. Diese Oberwellenspannung hat einen entsprechenden Strom im Stator zur Folge, der jedoch so klein ist, daß er kein wesentliches Moment erzeugt und auch keine wesentliche Erwärmung der Wicklung zur Folge hat.With the DC excitation of the stator it must then be in the stator circuit effective rectifier can be delayed by almost 90 °, since the direct current only is limited by the ohmic resistance of the stator and the latter is extraordinary is small. It then occurs in the DC voltage with six-pulse rectification Voltage harmonics whose base frequency (at 50 Hz mains frequency 300 Hz) is 24.% the full DC voltage. This harmonic voltage has a corresponding one Current in the stator, but it is so small that it is not an essential moment generated and does not result in any significant heating of the winding.

Claims

Claims: 1. Arrangement for controlling a three-phase asynchronous motor with slip ring rotor in all four quadrants of its speed-torque characteristics with the help of anti-parallel thyristors between the conductors (R, S, T) of a three-phase network and the terminals (U, V, W) the stator winding of the motor, characterized by the combination of the following features: a) Each of the conductors (R and T) is connected to the terminals (U and W) via two antiparallel thyristors, b) the conductor (S) is via two antiparallel thyristors ( 6, 7) with the terminal (V), via a thyristor (3) facing the stator winding with the terminal (U) and via a thyristor (10) facing the three-phase network with the terminal (W) and c) the The rotor winding is connected to an electronic pulse switching device (13 to 17) and a constant ohmic resistor (19) via an uncontrolled set of rectifiers (20).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pulse switching device (13 to 17) is controlled by a rotor current regulator is controlled.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the stator-side thyristors (1 to 12) are controlled such that a three-phase voltage of variable magnitude and reversible phase sequence at the terminals (U, V, W) is effective.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the stator-side thyristors (1 to 12) for braking the motor are controlled in such a way that a direct current of variable magnitude flows in the stator winding. Considered publications: "Elektrie", 1963, p. 30; "AEG-Mitteilungen", 1962, p.57; »VDE-Fachberichte«, 1962, p.1 / 97; "Electrical Engineering", May 1961, pp. 350 to 353.