DE1290627B - Three-phase motor fed from a three-phase network via a converter with a DC link - Google Patents
Three-phase motor fed from a three-phase network via a converter with a DC linkInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen aus einem Drehstromnetz über einen Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis gespeisten Drehstrommotor, bei dem die Höhe der Gleichspannung des Gleichstromzwischenkreises durch Ventilsteuerung veränderbar ist.The invention relates to one from a three-phase network a three-phase motor fed by a DC link which is the level of the DC voltage of the DC link through valve control is changeable.
Es ist bekannt, bei einer über einen Wechselrichter gespeisten Drehfeldmaschine zwischen dem Wechselrichter bzw. Gleichrichter und den Sammelschienen des Gleichstromzwischenkreises eine die Spannung des Gleichstromzwischenkreises steuernde Halbleiterschaltung zu legen. Der Gleichrichter wird zu diesem Zweck mit steuerbaren Ventilen ausgerüstet, die durch Phasenanschnitte die Höhe der Spannung des Gleichstromzwischenendkreises bestimmen. Mit einer derartigen Anordnung ist jedoch der Nachteil verbunden, daß sich der Leistungsfaktor des Gleichrichters in Abhängigkeit des Anschnittwinkels verändert, und es ergibt sich weiterhin eine überwiegend unwirtschaftliche Ausnutzung der eingesetzten Leistungsgrößen.It is known in a three-phase machine fed via an inverter between the inverter or rectifier and the busbars of the DC link a semiconductor circuit controlling the voltage of the direct current intermediate circuit place. The rectifier is equipped with controllable valves for this purpose, the voltage level of the DC intermediate circuit through phase gates determine. With such an arrangement, however, is associated with the disadvantage that the power factor of the rectifier depends on the lead angle changed, and there is still a predominantly uneconomical utilization the performance levels used.
Es ist weiterhin bekannt, durch periodisches öffnen und Schließen des Läuferstromkreises einer Asynehronmaschine mit elektronischen Schaltmitteln eine als Zweipunktregelung ausgebildete Steuerung des Motors darzustellen. Es ist dann jedoch notwendig, in allen drei Läuferphasen antiparallele steuerbare Ventile vorzusehen, wodurch ein hoher Aufwand an steuerbaren Leistungsventilen und zusätzlich dazu ein solcher für deren Steuerung erforderlich ist.It is also known to open and close periodically of the rotor circuit of an asynchronous machine with electronic switching means to represent a control of the motor designed as a two-point control. It is then, however, it is necessary to have anti-parallel controllable valves in all three rotor phases to be provided, whereby a high expenditure on controllable power valves and in addition this is necessary for their control.
Es sind weiterhin bereits Anordnungen bekanntgeworden, bei denen die Schlupfenergie eines Drehstromasynchronmotors mit Schleifringläufer über einen Umrichter mit Gleichstromzwisehenkreisen an das speisende Drehstromnetz zurückgegeben wird. Infolge des auf das speisende Drehstromnetz zurückarbeitenden Umrichters ist ebenfalls ein hoher Aufwand für eine phasenabhängige Steuerung der in allen Phasen vorgesehenen Leistungsventile erforderlich.There are also already known arrangements in which the Slip energy of a three-phase asynchronous motor with slip ring rotor via a converter is returned to the supplying three-phase network with direct current secondary circuits. As a result of the converter working back on the feeding three-phase network, is also a high effort for a phase-dependent control of the planned in all phases Power valves required.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die erläuterten Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Das wird in Verbindung mit dem eingangs erläuterten Drehstrommotor erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Veränderung der Höhe der Gleichspannung des durch eine Batterie gepufferten Gleichstromzwischenkreises eine in diesem Gleichstromzwischenkreis angeordnete, ein steuerbares Ventil enthaltende Tastschaltung vorgesehen ist und daß die gleichgerichtete Läuferenergie des Drehstrommotors über eine weitere Tastschaltung dem Gleichstromzwischenkreis wieder zuführbar ist.It is the object of the invention to address the disadvantages of the known Avoiding arrangements. This is in connection with the three-phase motor explained at the beginning according to the invention achieved in that to change the level of the DC voltage of the DC link backed up by a battery one in this DC link arranged, a controllable valve containing key circuit is provided and that the rectified rotor energy of the three-phase motor via a further push-button circuit can be fed back to the DC link.
An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel unter Herausstellung der Vorteile der Erfindung erläutert.A schematic exemplary embodiment is given with the aid of a drawing explained with emphasis on the advantages of the invention.
Aus einem Drehstromnetz UVW über einen Gleichrichter 30 werden Sammelschienen 31, 32 eines Gleichstromzwischenkreises gespeist. An den Sammelschienen liegt eine Pufferbatterie 33. Der Ladezustand dieser Batterie wird durch eine Tastschaltung t1 geregelt, die aus einer löschbaren Triode 34, einer Diode 35 und einer Drossel 36 besteht. Bekanntlich kann man über derartige Tastschaltungen eine Batterie in steuerbarer Weise laden, und zwar auch dann, wenn die Spannung des Gleichrichters 30 kleiner ist als die Batteriespannung. An den Sammelschienen 31, 32 liegt ein Wechselrichter 37. Er speist über einen Umschalter 38 den Stator des Asynchronmotors M. Der Umschalter 38 enthält beispielsweise eine Schaltanordnung für Umschaltung von Stern auf Dreieck oder auf Gleichstromerregung, letzteres zum Zweck des Abbremsens. Der Rotor des Asynchronmotors speist über einen Gleichrichter 39 eine zweite Tastschaltung t2, die aus der löschbaren Triode 40, der Diode 41 und der Drossel 42 besteht. Diese Tastschaltung ermöglicht es, bei variabler Ausgangsspannung des Gleichrichters gewünschte Stromstärken aus dem Gleichrichter auf die Sammelschienen 31, 32 bzw. in die Batterie 33 praktisch verlustlos zurückzugeben. Ein Hilfsgleichrichter 43 speist eine kleine Hilfsbatterie 44, aus der über eine dritte Tastschaltung t,; die zum Bremsen benötigte Gleichstromerregung des Stators entnommen wird. Busbars 31, 32 of a direct current intermediate circuit are fed from a three-phase network UVW via a rectifier 30. A buffer battery 33 is located on the busbars. The state of charge of this battery is regulated by a pushbutton circuit t1, which consists of an erasable triode 34, a diode 35 and a choke 36. As is known, one can charge a battery in a controllable manner by means of such key circuits, even when the voltage of the rectifier 30 is lower than the battery voltage. An inverter 37 is connected to the busbars 31, 32. It feeds the stator of the asynchronous motor M via a changeover switch 38. The changeover switch 38 contains, for example, a switching arrangement for switching from star to delta or to direct current excitation, the latter for the purpose of braking. The rotor of the asynchronous motor feeds, via a rectifier 39, a second pushbutton circuit t2, which consists of the erasable triode 40, the diode 41 and the choke 42 . With a variable output voltage of the rectifier, this push-button circuit makes it possible to return the desired current strengths from the rectifier to the busbars 31, 32 or to the battery 33 with practically no loss. An auxiliary rectifier 43 feeds a small auxiliary battery 44, from which a third push-button circuit t 1; the DC excitation required for braking is taken from the stator.
Grundsätzlich arbeitet die gezeichnete Anordnung verlustlos, da die Schlupfenergie des Läufers nicht in Widerständen vernichtet, sondern der Batterie 33 zugeführt wird. Die Drosseln 36 und 42 werden dann klein und verlustarm, wenn die Tastfrequenz entsprechend hoch gewählt wird, beispielsweise 1000 Hz. Entsprechend dieser hohen Frequenz müssen die Drosseln wirbelstromarm gebaut werden, ebenso auch - bei großen Stromstärken - die Stromschienen, die Impulsströme führen.In principle, the arrangement shown works without loss, since the Slip energy of the rotor is not destroyed in resistances, but in the battery 33 is fed. The chokes 36 and 42 are then small and low-loss when the sampling frequency is selected to be correspondingly high, for example 1000 Hz. Correspondingly This high frequency, the chokes must be built with low eddy currents, as well - with high currents - the busbars that carry impulse currents.
Die Regelung des Ladestromes der Batterie 33 über die Tastschaltung 34 -bis 36 hat gegenüber der bekannten Regelung mit Gittersteuerung des Gleichrichters 30 oder mit Transformatoren den Vorteil, daß der Leistungsfaktor des Gleichrichters 30 stets hoch ist, beispielsweise 0,9 bis 0,95. Damit Gewicht, Preis und Verluste des Asynchronmotors ein Optimum erreichen, wird man diesen Motor für eine Frequenz auslegen, die unter Umständen wesentlich größer ist als die übliche Frequenz von 50 oder 60 Hz, beispielsweise 100 bis 200 Hz. Man wird bei großen Leistungen den Motor vierpolig bauen und unter Umständen seine Umdrehungszahl durch ein Getriebe an die Arbeitsmaschine anpassen. Durch Wahl der Frequenz f des Wechselrichters 37, -der Einstellung des Schalters 38 und des durch die Tastschaltung 40 bis 42 geregelten Stromes 1, kann man sosowohl die Umdrehungszahl des Motors M als auch sein Drehmoment bestimmen und schnell auf gewünschte Werte bringen. Beispielsweise kann man beim Anfahren vorübergehend die Statorspannung über den zur Anfahrfrequenz f gehörenden Wert erhöhen. Man erhält dann ein erhöhtes Anfahrmoment des Motors, insbesondere wenn man auch den Strom 1" im- Rotorkreis vorübergehend über den Nennwert legt. Ebenso kann man in den beschriebenen Fällen, in denen der Motor M sehr schnell laufen und nur ein geringes Drehmoment entwickeln muß, die Frequenz - des Wechselrichters derart erhöhen, daß die Statorspannung des Motors weniger als den Nennfluß im Motor erzeugt. Man spart in diesem Fall Verluste im Motor und erreicht übernormale Geschwindigkeiten.The regulation of the charging current of the battery 33 via the pushbutton circuit 34 to 36 has the advantage over the known regulation with grid control of the rectifier 30 or with transformers that the power factor of the rectifier 30 is always high, for example 0.9 to 0.95. So that the weight, price and losses of the asynchronous motor are optimal, this motor will be designed for a frequency that may be significantly higher than the usual frequency of 50 or 60 Hz, for example 100 to 200 Hz. The motor is used for high outputs Build four-pole and, if necessary, adapt its number of revolutions to the driven machine by means of a gearbox. By selecting the frequency f of the inverter 37, the setting of the switch 38 and the current 1 regulated by the pushbutton circuit 40 to 42 , both the number of revolutions of the motor M and its torque can be determined and quickly brought to the desired values. For example, when starting up, the stator voltage can be temporarily increased above the value associated with the starting frequency f. An increased starting torque of the motor is then obtained, especially if the current 1 "in the rotor circuit is temporarily placed above the nominal value. Increase the frequency of the inverter in such a way that the stator voltage of the motor generates less than the nominal flux in the motor. In this case, losses in the motor are saved and speeds above normal are achieved.
Bei großen Leistungen wird man die Sammelschienenspannung 31, 32 hoch wählen, beispielsweise 1000 V oder höher. Die Batterie 33 muß als Pufferbatterie ausgelegt werden, d. h., sie braucht keine große Kapazität zu haben, muß jedoch einen Teil der Leistungsspitzen des Motors M abgeben können, beispielsweise beim schnellen Anfahren die Hälfte der Gesamtenergie des Motors. Die Anordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß das Netz UVW durch die Pufferbatterie von den Belastungsspitzen entlastet wird, es wird nur stetig mit der mittleren Leistung des Antriebes belastet. Ebenso wird die Blindleistung des Motors M vom Netz ferngehalten, da sie vom Wechselrichter geliefert wird. Wegen dieser vorteilhaften Eigenschaften kommt die Anordnung nach der Erfindung auch in Frage für Walzwerksantriebe oder ähnliche Antriebe, die bislang in bekannter Weise durch Leonardumformer, Ilgnerumformer oder Stromrichter-Antiparallelschaltungen versorgt wurden. Man hat außerdem den Vorteil, daß die Kollektoren der letztgenannten Antriebe in Fortfall kommen. Bei großen Leistungen ist es unter Umständen auch erforderlich, die Phasenzahl des Wechselrichters 37 und des Gleichrichters 39 über die übliche Zahl von drei zu erhöhen, um im Asynchromnotor sinusförmige Spannungen und Ströme zu erzielen. Im übrigen wird man bei großen Leistungen den Asynchronmotor in besonderer Weise bemessen und konstruieren, Bezug nehmend auf die Verhältnisse der Wechselrichterspeisung im Stator und der Gleichrichterbelastung im Rotor. Um zu verhindern, daß die Ventile im Gleichrichter 39 bei kleinen Frequenzen zu stark belastet werden, kann man dafür Sorge tragen, daß der Motor M stets mit einem übernormalen Schlupf arbeitet. Dies bedeutet im vorliegenden Fall in erster Annäherung keine Leistungsverluste, da die Schlupfenergie über die Tastschaltung 40 bis 42 zurückgewonnen wird.In the case of large powers, the busbar voltage 31, 32 will be selected to be high, for example 1000 V or higher. The battery 33 must be designed as a backup battery, ie it does not need to have a large capacity, but must be able to deliver part of the power peaks of the motor M, for example half of the total energy of the motor when starting up quickly. The arrangement according to the invention has the advantage that the network UVW is relieved of the load peaks by the buffer battery, it is only continuously loaded with the average power of the drive. The reactive power of the motor M is also kept away from the grid, since it is supplied by the inverter. Because of these advantageous properties, the arrangement according to the invention can also be used for rolling mill drives or similar drives that were previously supplied in a known manner by Leonard converters, Ilgner converters or converter anti-parallel circuits. There is also the advantage that the collectors of the last-mentioned drives are no longer needed. In the case of high powers, it may also be necessary to increase the number of phases of the inverter 37 and of the rectifier 39 over the usual number of three in order to achieve sinusoidal voltages and currents in the asynchronous motor. In addition, the asynchronous motor will be dimensioned and designed in a special way for high powers, with reference to the conditions of the inverter supply in the stator and the rectifier load in the rotor. In order to prevent the valves in the rectifier 39 from being loaded too much at low frequencies, care can be taken to ensure that the motor M always works with an abnormal slip. In the present case, this means, as a first approximation, no power losses, since the slip energy is recovered via the pushbutton circuit 40 to 42.
Man wird die Steuerung der beschriebenen Einrichtung automatisieren dadurch, daß man die Frequenz f des Wechselrichters mit der Stellung s des Schalters 38 und mit dem Tastverhältnis des Tasters t. derart automatisch koordiniert, daß die gewünschten Fahreigenschaften des Asynchronmotors erzielt werden. Das Tastverhältnis der Tastschaltung tl kann man derart automatisch regeln, daß ein gewünschter mittlerer Ladezustand der Pufferbatterie aufrechterhalten wird.The control of the device described will be automated by having the frequency f of the inverter with the position s of the switch 38 and with the duty cycle of the button t. so automatically coordinated that the desired driving characteristics of the asynchronous motor can be achieved. The duty cycle the key circuit tl can be controlled automatically in such a way that a desired mean State of charge of the backup battery is maintained.
Zum schnellen Abbremsen des Motors M nach einem bestimmten Programm kann auch der Bremsgleichstrom im Stator des Motors über die Tastschaltung t3 in Verbindung mit den anderen Regelgrößen geregelt werden.For rapid braking of the motor M according to a specific program the DC braking current in the stator of the motor can also be adjusted using the pushbutton circuit t3 in Connection with the other controlled variables.
Die Rotorspannung des Motors wird man derartig dimensionieren, daß die vom Gleichrichter 39 erzeugte Gleichspannung im Höchstfall nicht größer wird als die Sammelschienenspannung 31, 32, da anderenfalls die Tastschaltung t, umgekehrt werden müßte.The rotor voltage of the motor will be dimensioned such that the DC voltage generated by the rectifier 39 does not increase in the maximum case than the busbar voltage 31, 32, otherwise the key circuit t, vice versa would have to be.
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