DE1438964A1 - Verfahren zum Betrieb von stromrichtergespeisten Asynchronmotoren - Google Patents

Description

• "Verfahren zum Betrieb von stromrichtergespeisten Asynchronmotoren" Für motorische Antriebe mit kleinen bis mittleren Leistungen von der Grössenordnung 100 kW hat es sich in vielen Fällen als vorteilhaft erwiesen, Asynchron-Schleifringläufermotoren zu verwenden. Ist hierbei die Aufgabe gestellt, die Drehzahl zu verändern, so kann man in bekannter Weise in die Läuferstromkreise veränderbare Läuferwiderstände einschalten. Die gestellte Aufgabe besteht aber in vielen Fällen nicht nur darin, bestimmte Drehzahlen einzustellen, sondern Drehzahlkennlinien mit noch vertretbarer Steilheit zu erzielen, womit die Kennlinien der Drehzahl in Abhängigkeit vom abgegebenen Last-Drehmoment des Motors gemeint sind. Zur Erläuterung der erzielbaren Drehzahlkennlinien bei Schleifringläufermotoren mit veränderbaren Läuferwiderständen sind in Fig. 1 einige dieser Kennlinien für das Beispiel eines Asynchronmotors für einen Hebezeugantrieb dargestellt. Oberhalb der mit der Bezeichnung Md für das elektrische Drehmoment beschriebenen Abszissenachse sind die positiven Drehzahlen n entsprechend "Heben", unterhalb dieser Achse sind die negativen Drehzahlen entsprechend "Senken" des Hebezeuges aufgetragen. Bei kurzgeschlossenem Läufer sind die Drehzahlkennlinien@ Schwach geneigte Gerade, deren Leerlauf-Drehzahlwerte mit no bzw. -no angegeben sind. Die Gerade für "Heben" ist mit 1, die Gerade für "Senken" ist mit 3 bezeichnet.
• Mit der Einschaltung von Läuferwiderständen erhält man im Hebbereich stärker abfallende, im Senkbereich stärker ansteigende Drehzahlkennlinien und dementsprechend eine stärkere Abhängigkeit der Drehzahl vom Drehmoment M d. Für einen bestimmten Läuferwiderstand erhält man beispielsweise die Drebzahlkennlinie z. Bei weiterer Erhöhung des Läuferwiderstandes entsteht eine noch steilere Drehzahlkennlinie. Bedeutet MR das konstant angenommene Reibungsmoment, so erhält man das Lastdrehmoment ML an der Motorwelle im Hebebereich durch Abziehen und im Senkbereich durch Hinzufügen des Reibungsmomentes. Ist die Drehzahlkennlinie 2 diejenige mit der grössten noch vertretbären Steilheit, so kann man im Bereich Heben alle Drehzahlen zwischen 0 und den maximalen Drehzahlen nach der Kennlinie 1 einstellen, für die das Lastmoment ML zwischen den Grenzen a und b liegt. Entsprechend kann man im Bereich Senken alle Drehzahlen zwischen 0 und den maximalen Drehzahlen nach der Kennlinie 3-einstellen, für die das Lastmoment ML zwischen den Grenzen c und b liegt. Die beiden so gegebenen Bereiche, für die jede beliebige Drehzahl zwischen 0 und den maximalen Drehzahlen realisierbar ist, sind in Fig. 1 schraffiert hervorgehoben. Ausserhalb dieser Bereiche sind noch einige Drehzahlen, soweit sie oberhalb der Werte der Grenzkennlinie 2 liegen, realisierbar. Unterhalb der Grenzkennlinie 2 ist sowohl bei Heben als auch bei Senken kein Betrieb im Bereich dieser Drehzahlen möglich.
• Bei Umschaltung der Ständerwicklung im ;Sinne einer Umkehrung der Richtung des Drehfeldes ist im Senkbetrieb auch für Lastmomente kleiner als a ein Betrieb möglich. In dem Falle ist aber die Einschaltung eines Läuferwiderstandes nicht ratsam, da dann die Drehzahlkennlinie 3 beispielsweise in eine Kennlinie 4 übergehen würde,. die Drehzahlen erheblich oberhalb der Drehzahl no aufweist. Der beabsichtigte Zweck, bei einem solchen Betrieb mit einem Lastmoment kleiner als a Drehzahlen unterhalb der maximlen Drehzahlen nach der Kennlinie 1 und 3 zu erzielen, würde also nicht erreieht. Diene bei den bekannten Antrieben mit Asynchron-Schleifringläufermotoren gegebenen Nachteile sollen durch das Verfahren nach der Erfindung in Verbindung mit der hierfür verwen@@ten Einrichtung vermieden erden. Das erfindungegenässe Verfahren, das der Erweiterung des Kennlinienfeldes der Brehzahl in Abhängigkeit vom Lastmoment von Antrben mit Asyrchronmotoren dient, ist auf der Verwendung von zwei miteinander gekuppelten Asynchron-Schleifringläufermotorer -KurzschluBläufermotoren oder Massivläufermotoren gegründet, deren Ständerwicklungen unter Zwischenschaltung je einer Stromrichteranordnung mit antiparallel geschalteten gesteuerten Ventilen mit dem speisenden Drehstromnetz verbunden, und deren Läuferwicklungen gegebenenfalls über Widerstände oder direkt kurzgeschlossen sind. Die zwei Asynchronmotoren sind weiterhin als Doppelmotor-Anordnung bezeichnet. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, dass im Bereich grösserer Lastmomente an der Welle der Doppelmotoranordnung, deren Motoren als erster und zweiter Motor benannt sind, zuerst beide Stromrichteranordnungen der Motoren symmetrisch und mit gleichmässig vergrössertem Zündwinkel ausgesteuert und danach, mit@Erreichen eines bestimmten, vorgegebenen Zündwinkels, nur die zweite Stromrichteranordnung mit weiter zunehmendem Zündwinkel ausgesteuert wird, während der Zündwinkel der ersten Stromrichteranordnung unverändert bleibt, und dass mit Erreichen eines vorgegebenen maximalen Steuerwinkels im Bereich kleinerer Lastmomente bis zum Moment Null nach Umschaltung der Ständerwicklun; des

  zweiten Motors im Sinne einer Richtungsänderung des Drel:.'eic:c3"

  die zweite Stromrichteranordnung wit:;;(2r mit

  Zündwinkel ausgesteuert wird, während Ger Zünuwiiii;f;l zier

  ersten Stromrichteranordnung nach w:: t: vor unver;i"i:c:i,t @lel :t .

  Dabei bedeuten Zündwinkel und St,-u,,_:-wii:1;el da. -

  Eine Doppelmoto@Anordung mit stromrichtergespeisten Ständerwicklungen der direkt gekuppelten Asynchronmotoren, die beispielsweise als Antrieb eines Hebezeuges dienen, und auf die das Verfahren nach der Erfindung angewendet ist, zeigt Fig. 2 in schematischer Darstellung. Darin sind 1 und 2 zwei direkt gekuppelte Asynchron-Schleifringläufermotoren. Die dreiphasigen Ständerwicklungen sind unter Zwischenschaltung von dreiphasigen Stromrichteranordnungen 3 und 4 mit antiparallel geschalteten steuerbaren Ventilen in den einzelnen Zuleitungen an das gemeinsame speisende Drehstromnetz angeschlossen. Die Läuferwicklungen der Motoren sindüber relativ niederohmige feste Widerstände 5 und 6 kurzgeschlossen. Diese Festwiderstände erweisen sich als zweckmässig, um eine angenäherte Linearität der Drehzahlkennlinie zu erzielen. Die Steuerimpulse der Stromrichterventile werden von einem Steuergerät 7 geliefert. Die Phasenlage der Steuerimpulse der beiden Stromrichter, die durch die Zündverzögerungswinkel α1 und. α4 beschrieben sein sollen, ist in bekannter Weise von einem dem Steuergerät zugeführten Steuerspannung u st abhängig, so daß die Aussteuerung der Stromrichter in Abhängigkeit von dieser Steuerspannung verändert werden kann. Die Änderung der Phasenlage der Steuerimpulse der Stromrichter in Abhängigkeit von der Steuerspannung u st erfolgt indessen nicht durchweg gleichmässig, sondern erfindungsgemäss nach einem bestimmten Steuerplan, der aus Fig. 3 zu entnehmen ist. Hiernach nehmen die beiden Steuerwinkel 0G1 und 0C2 in Abhängigkeit 'von der Steuerspannung zunächst gleichmässig linear zu, bis ein bestimmter vorgegebener Steuerwinkel'erreicht ist. Nach weiterer Vergrösserung der Steuerspannung u st, nimmt nur; der zweite Steuerwinkel weiter zu,-während der erste Steuerwinkel auf seinem vorgegebenen Wert stehen bleibt. Dieser vorgegebene erste Steuerwinkel ist mit αlm bezeichnet. Bei einer bestimmten Steuerspannung ust soll der zweite Steuerwinkel α einen vorgegebenen maximalen Wert erreichen, der mit α2m bezeichnet ist ( α2m > α1m). Nach Erreichung dieses Höchstwertes des zweiten Steuerwinkels α2 soll gemäss des erfindungsgemässen Verfahrens eine Umschaltung der Ständerwicklung des zweiten Motors im Sinne einer Richtungsänderung des Drehfeldes und ausserdem eine Änderung der Abhängigkeit des zweiten Steuerwinkels α2 von der Steuerspannung u st erfolgen in dem Sinne, dass der zweite Steuerwinkel α2 mit wachsender Steuerspannung nicht mehr zunimmt, sondern nunmehr abnimmt. Die mit Anwendung dieses Verfahrens auf die Doppelmotoranordnung erzielbaren Drehzahlkennlinien sind in Fig. 4 dargestellt. Die Aussteuerung der Stromrichter zur Speisung der Asynchronmotoren hat die gleiche Wirkung wie die Eilschaltung eines Läuferwiderstandes eines normal angeschlossenen Motors. Dementsprechend erhält man bei Steuerwinkeln α41 = α2 = 0 die schwach geneigte Drehzahlkennlinie 1, die somit der Kennlinie eines normal angeschlossenen Motors mit kurzgeschlossen m Läufer entspricht. Steuert man nun beide Stromrichter zunächst symmetrisch und mit gleichmässig vergrösserten Zündverzögerungen α1 und α2 aus, wie der Anfangsverlauf der Steuerkennlinien in Fig. 3 vorschreibt, so erhält man stärker geneigte Drehzahlkennlinien. Mit Erreichen der Steuerkeln α1 = α2 =α 1m soll die Drehzahlkennlinie 2 eintrete. Bei weiterer Vergrösserung der Steuerspannung bleibt entsprechend der Steüerkennlinien Fig. 3 der erste Steuerwinkel α1 = α1m R konstant, während der'awette.Steuerwinkel 04, weiter anwächst. Die Neigung der Drehzahlkennlinie nimmt nun weiter. zu, wenn auch nicht in demselben Maße wie bei gleichmässiger Zunahme beider Steuerriegel. -Mit Erreichen des vorgegebenen maximalen Steuerwinkels α2m der zweiten Stromrichteranordnung soll die in Fig. 4 eingetragene Drehzahlkennlinie 5 eingetreten sein. Bei Eintritt-dieses maximalen Steuerwinkels bzw. der hierzu erförderlichen Steuerspannung u st soll das Steuergerät 7 gemäss Fig. 2 ein Signal abgeben, das auf eine Umschalteinrichtung 11 der Ständerwicklung des zweiten Motors 2 einwirkt, in dem Sinne, dass mit Betätigung dieser Umschalteinrichtung eine Richtungsänderung des Drehfeldes des Motors erfolgt. Dies hat zur Folge, dase das elektrische Moment dieses Motors sich umkehrt, und das resultierende Drehmoment der. Doppelmotoranordnung gleich der Differenz der Einzeldrehmomente wird. Die Umschaltung kann entweder mit Schaltschützen oder mit elektronisch wirkenden Schaltmitteln geschehen. Steigert man die Steuerspannung u st nun weiter, so liefert das Steuergerät 7 aufgrund einer dafür vorgesehenen Einrichtung Steuerimpulse, von denen die Impulse der zweiten Stromrichteranordnung einen wieder abnehmenden Zündwinkel α2 aufweisen, während der Zündwinkel α1 der ersten Stromrichteranordnung nach wie vor konstant bleibt. Die Drehzahlkennlinien sind jetzt Gerade, die alle durch den Schnittpunkt der Kennlinie 5 mit -der von - no aus verlaufenden-Kennlinie 3 gehen. Ihre Neigung nimmt mit -wachsender Steuerspannung, d.h. mit abnehmendem Zündwinkel α1-ab, Die Grenzkennlinie der Drehzahl, die bei 0α2 = 0 eintritt, ist die mit bezeichnete Kennlinie.
• T 4 Bei Durchlaufen aller Werte der Steuerspannung von Null beginnend bis zu ihrem Höchstwert. bei Wiedereintritt von 0c.2 = 0 entstehen nacheinander alle Drehzahlkenalinien zwischen der Kennlinie 1 und-der Kennlinie 6. Die Kennlinien schwenken zunächst um den Punkt +no, bis. zur-Kennlinie 2, schwenken dann weiter bis zur Kennlinie 5, worauf mit deiterwachsen der Steuerspannung ein Schwenken um den. untersten Funkt der Kennlinie 5 eintritt, bis sich bei maximaler Steuerspannung die Kennlinie 6 einstellt. Die einzelnen Schwenkungen in Abhängigkeit von der Steuerspannung sind in Fig. 4 durch Kreisbogen angedeutet. Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht es, durch gleitende Änderung der Steuerspannung jede gewünschte Drehzahlkennlinie innerhalb der schraffierten Fläche in Fig. 4 zu realisieren. Das Verfahren kann auch in Verbindung mit einer Regelung angewendet werden: Im Falle einer als Aufgabe gestellten Drehzahlregelung ist in bekannter Weise die Vorgabe eines Drehzahlsollwertes und ein Vergleich mit dem Drehzahlistwert notwendig. Die Erfassung dieses astwertes ist in Fig. 2 durch die Tachomaschine 8, die Sollwertvorgabe durch den Potentiometerwiderstand 9 angedeutet. Die Regelabweichung bildet das Eingangssignal eines Reglers 10, der seinerseits in beschriebener Weise auf das Steuergerät 7 der Stromrichteranordnungen 3 und 4 einwirkt. Die Aussteuerung der Stromrichteranordnungen mittels einer Zündversögerung der Ventile ist bekanntlich mit einer Vergrösserung der Sprungspannungsbeanspruchung der Ventile, die bei Gasentladungsventilen als Anodensperrbeanspruchung bezeichnet ist, verbunden. Bei Äsynchronmotoren, deren Ständerwicklung über eine Strmrichteranordnung mit dem Drehstromnetz verbunden ist, erweist es sidi zur Verminderung der Sprungspannungsbeanspruchung der Ventie, lnsesondere bei Verwendung von gesteuerten Halbleiterventilen, 'als Vorteilhaft,` den Sternpunkt des Netzes, sofern dieser vorhenden ist, mit dem Sternpunkt der in Stern geschalteten Ständerwickoung zu verbinden. Diese Schaltmaßnahme kann auch bei der vorliegenden Doppelmorotanordnung zweckdienlich angewendet wer-den. Ausserdem kann es vorteilhaft sein, das Verfahren bei Motoranordnungn anzuwenden, deren Läuferwiderstände mit Schützen stufenweise verändert Werden, Bei zusätzlicer Anwendung eines Regelreises für die iteuerung der stromriohter kann durch das signal sur Betätigung der Läuferschütse eine Störwertsufschaltung im Regler vorgenommen werden, so dass die Entstehung von Uberströmen bei der sprunghaften Veränderung der Läuferwiderstände unterbunden wird. Anstelle elektromagnetisch betätigter Schaltschütze können auch elektronisch wirkende Schaltmittel verwendet werden. Bei Anwendung der vorliegenden Doppelmotoranordnung für einen Hebezeugantrieb kann es zweckmässig sein, die bei "Heben" durch einen festen Läuferwiderstand vorgegebene Grenzkennlinie der Drehzahl auch bei "Senken" und zwar mit spiegelbildlich gleichem Verlauf zu erhalten. Dies kann durch Erfassung der Läuferspannung, des Drehzahlsollwertes und mit Verwendung eines Kleinstwertverstärkers geschehen. Hierbei wird der Drehzahlsollwert mit Hilfe des Kleinstwertverstärkers soweit begrenzt, dass die Spannung am Läuferwiderstand einen bestimmten Höchstwert nicht überschreiten kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Läuferverluste ein höchstzulässiges Mass nicht überschreiten. Das beispielsweise für Hebezeugantriebe zweckmässige Verfahren kann für andere Antriebe, insbesondere Umkehrantriebe beliebiger Art noch dahingehend erweitert werden, dass nicht nur das Ständerfeld des zweiten Motors der Doppelmotoranordnung, sondern zur Erzielung derselben Antriebsverhältnisse auch bei umgekehrter Drehrichtung auch das Ständerfeld des ersten Motors im Drehsinn umgekehrt wird. Hierbei kann so verfahren werden, dass zunächst der Steuerplan nach Fig. 3 befolgt wird, bis nach Umschaltung der Ständerwicklung des zweiten Motors der Zündwinkel α2 den Wert des Zündwinkels α4 lm erreicht hat. Danach wird der Zündwinkel α1 vergrössert, bis α1 = α2m wird. Danach wird die Ständerwicklung des ersten Motors im Sinne einer Änderung der Richtung des Drehfeldes umgeschaltet und mit vertauschten Rollen weiter gesteuert wie nach dem Steuerplan nach Fig. 3. Auf diese Weise treten für die umgekehrte Drehrichtung dieselben Kenn4 Linienverhältnisse ein wie für die erste Drehrichtung der Doppelmotoranordnung. Für anspruchslose geregelte Antriebe kann die Doppelmotoranordnung auf einem Motor reduziert werden, wenn es bei geringer Verstärkung im Regelkreis zulässig ist, eine steilere Grenzhennlinie 2 zu grundezulegen.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb von stromrichtergespeisten Asynchronmotoren für Antriebe zur Erweiterung des Kennlinienfeldes der Drehzahl in Abhängigkeit vom Lastmoment, mit Verwendung von Asynchron-Schleifringläufermotoren, Kurzschlußläufermotoren oder Masseläufermotoren, deren Ständerwicklung über eine Stromrichteranordnung mit antiparallel geschalteten gesteuerten Ventilen mit dem speisenden Drehstromnetz verbunden sind, während ihre Läuferwicklungen gegebenenfalls über Widerstände oder direkt kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung von zwei stromrichtergespeisten und miteinander gekuppelten Asynchronmotoren, die weiterhin als eine Doppelmotoranordnung, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Motor (1,2) bezeichnet ist, im Bereich grösserer Lastmomente an der Welle der Doppelmotoranordnung zuerst beide Stromrichteranordnungen (3,4) der Motoren symmetrisch und mit gleichmässig vergrössertem Zündwinkel ausgesteuert und danach, mit Erreichen eines bestimmten vorgegebenen Steuerwinkels ( αlm) , nur die zweite Stromrichteranordnung (4) mit weiter zunehmendem Zündwinkel ausgesteuert wird, während der Zündwinkel der ersten Stromrichteranordnung (3) unverändert bleibt, und dasß im Bereich kleinerer Lastmomente bis zum Moment Null mit Erreichen eines vorgegebenen maximalen Steuerwinkels ( α2m) nach Umschaltung der Ständerwicklung des zweiten Motors (2) im Sinne einer Richtungsänderung des Drehfeldes die zweite Stromrichteranordnung (4) wieder mit abnehmendem Zündwinkel hausgesteuert wird, während der Zündwinkel der ersten Stromrichteranordnung (3) nach wie vor unverändert bleibt.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussteuerung der Stromrichteranordnungen (3,4) des ersten und zweiten MOtÖrs (1,2) durch ein Steuergerät (7) erfolgt, das mit Anwendung Von Mitteln an sich bekannter Art in Abhängigkeit von einer Steuerspannung (ust) in der Phasenlage ( α1, ö42) veränderbare Steuerimpulse abgibt, gemäss einer Steuerkennlinie, nach der bis zu einem vorgegebenen Steuerwinkel ( α1m) beide Stromrichter anordnungen (3,4) symmetrisch und mit gleichmässig vergrössertem Steuerwinkel, darüberhinaus nur die zweite Stromrichteranordnung (4) mit weiter wachsendem Steuerwinkel ( α2) und nach Erreichen eines vorgegebenen maximalen Steuerwinkels ( α2m) die zweite Stromrichteranordnung bei weiterhin zunehmender Steuerspannung (ust) mit abnehmendem Steuerwinkel ( Dα1) nach wie vor unverändert bleib
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel an sich bekannter Art vorgesehen sind, die bewirken, dass von dem Steuergerät (7) mit Eintritt einer bestimmten vorgegebenen Steuerspannung (u st) oder eines vorgegebenen maximalen Steuerwinkels ( α2m) der zweiten Stromrichteranordnung ein Signal abgegeben wird, das-auf-eine Umschalteinrichtung (11) der Ständerwicklung des zweiten Motors (2) zur Änderung der Richtung des Drehfeldes einwirkt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Ständerwicklung des zweiten Motors (2) im Sinne einer Richtungsänderung des Drehfeldes in an sich bekannter Weise mit elektromagnetischen Schützen oder elektropisch wirkenden Schaltmitteln erfolgt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder eurem der folgenden An- -sprüche, angewendet auf einen drehzahlgeregelten Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) von einem Regler (1o) gesteuert wird, der in an sich bekannter Weise von der Regelabweichung zwischen dem Drehzahlsollwert (9) und dem einer Tachomaschine (B) bekannter Art entnommenen Drehzahlistwert beeinflusst wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden An-Sprüche für eine Motoranordnung, die aus einem Drehstromnetz mit Nulleiter gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nulleiter des Drehstromnetzes mit dem Sternpunkt der in bekannter Weise in Stern geschalteten Ständerwicklung des Motors direkt verbunden ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 5 und 6 mit einer Motoranordnung mit Läuferwiderständen, die mittels Schaltschütze in Abhängigkeit von einem diese Schaltschütze steuernden Signal stufenweise verändert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zur Störwertaufschaltung des Reglers verwendet ist, derart, dass eine Entstehung von Überströmen in den Motorzuleitungen bei der Umschaltung der Läuferwiderstände unterbunden ist. B.
8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden Ansprüche zur Anwendung auf einen Hebezeugantrieb mit einer Drehzahlregelung, die mit der Läuferspannung der Motoren zusammenarbeitet, da durch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsollwert mittels eines Kleinstwertverstärkers bekannter Art soweit begrenzt wird, dass die Spannungan den Läuferwiderständen einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, angewendet auf einen Umkehrantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Umschaltung der Ständerwicklung des zweiten Motors (2) mit abnehmenden Steuerwinkel erfolgte Aussteuerung der Stromrichteranordnungen nach Absinken des zweiten Zündwinkels α2 auf den Wert αlm im des ersten Zündwinkels geändert wird in dem Sinne, dass nunmehr der erste Zündwinkel wieder zunimmt, während der zweite Zündwinkel den Wert von αlm beibehält, und zwar solange, bis der erste Zündwinkel den Höchstwert entsprechend QG2m erreicht, wonach nunmehr die Stünderwicklung des ersten Motors umgeschaltet wird und anschliessend die Steuerung der Stromrichteranordnungen'mit vertauschten Rollen fortgesetzt werden kann.