DE1588685C3 - Antriebsvorrichtung hoher Drehzahlkonstanz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Beim Antrieb mechanischer Geräte ist eine hohe Drehzahlkonstanz oft die Grundvoraussetzung für die einwandfreie Funktion. Die für diesen Zweck häufig verwendeten Synchronmotoren bringen viele Nachteile, wie z. B. ein kleines Anlaufmoment, einen niedrigen Wirkungsgrad und ein großes Bauvolumen mit sich. Größere Synchronmotoren benötigen Anlaufhilfen, beispielsweise Anlaufmotoren.

Bei Asynchronmotoren, weiche hinsichtlich Anlaufmoment, Wirkungsgrad und Bauvolumen wesentlich günstiger liegen, wirken sich dagegen Belastungsänderungen, Netzspannungsschwankungen u. dgl. in einer für viele Anwendungsfälle unzulässigen Weise auf die Drehzahl aus. Es ist zwar bekannt,"zur Verbesserung der Konstanz der Drehzahl Kontaktregler vorzusehen, doch sind diese relativ störungsanfällig und erfordern häufige Wartung. Sie werden daher gern vermieden.

Durch die deutsche Patentschrift 8 26 769 ist eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl von Induktionsmotoren bekannt Bei dieser Anordnung ist der Asynchronmotor mit einem aus zwei Synchronmaschinen bestehenden Satz gekuppelt. Die Läuferwicklung des Asynchronmotors ist mit der Läuferwicklung einer ersten Synchronmaschine verbunden, deren Läufer von dem Asynchronmotor angetrieben wird. Das im Läufer erzeugte Drehfeld nimmt einen z. B. permanenterregten Zwischenläufer synchron mit, der in der Ständerwicklung einer zweiten Synchronmaschine Spannungen mit der Netzfrequenz induziert. Diese zur Drehzahlregelung in ihrer Phasenlage veränderbaren Spannungen werden den Erregerspannungen für das Ständerfeld des Asynchronmotors hinzugefügt.

Die bei der bekannten Anordnung rückgeführten und das Ständerfeld des Asynchronmotors beeinflussenden Spannungen bewirken zwar eine Verminderung der Belastungsabhängigkeit der Motordrehzahl, doch kann mit der bekannten Anordnung die Drehzahl bei wechselnder Belastung nicht völlig konstant gehalten werden. Darüber hinaus ist diese Antriebsvorrichtung infolge des Zwischenläufers konstruktiv sehr aufwendig. Bei einer anderen, durch die USA.-Patentschrift 11 74 373 bekannten Antriebsvorrichtung ist mit einem Asynchronmotor eine kleine Gleichstrommaschine gekoppelt, die abhängig von der ihr aufgezwungenen Drehzahl als Motor oder als Generator wirkt und so dem Bestreben des Asynchronmotors, je nach der Belastung eine unterschiedliche Drehzahl anzunehmen, entgegenarbeitet. Auch hiermit kann eine konstante Drehzahl bei wechselnder Belastung nur angenähert, aber nicht erreicht werden.

Ferner ist durch die österreichische Patentschrift 138 618 ein Antrieb mit einem Gleichstrommotor bekannt, mit dessen Läufer zur Stabilisierung seiner mittels Regulierwiderständen eingestellten Drehzahl bei kleinen Lastschwankungen eine vom Netz gespeiste Synchronmaschine gekuppelt ist.

Durch die DT-PS 7 21 557 ist eine Antriebsvorrichtung für" konstante Drehzahl bekannt mit je einem selbständigen, mit verschiedener Geschwindigkeit umlaufenden asynchronen und synchronen Läufer, die durch ein Getriebe kraftschlüssig miteinander gekuppelt sind. Ein für beide Läufer gemeinsamer Ständer besitzt für den synchronen und den asynchronen Teil die gleiche Polzahi und Ausführung. Das Übersetzungsverhältnis des Kuppelgetriebes ist so gewählt, daß der asynchrone Läufer während des synchronen Laufs des Synchronläufers im Gebiet seines höchsten Drehmoments arbeitet.

Eine derartige Antriebsvorrichtung läßt sich nur schwer an unterschiedliche Anwendungen anpassen.

Wesentliche Änderungen der Betriebsbedingungen, insbesondere der maximalen Belastung und der Belastungsschwankungen erfordern eine vollständige Neuberechnung und Neukonstruktion des gesamten Antriebsaggregats.

Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, eine Antriebsvorrichtung hoher Drehzahlkonstanz für eine in weiten Grenzen schwankende Belastung anzugeben, die aus handelsüblichen Motoren zusammengesetzt und deshalb an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen leicht anpassungsfähig ist. Dabei soll in jedem Einzelfall ■ ein minimales Bauvolumen erreicht werden, wobei der Umstand zu beachten ist, daß bei gleicher Nennleistung das Volumen eines Synchronmotors erheblich größer als das Volumen eines Asynchronmotors ist.

Ausgehend von einer Antriebsvorrichtung, auf die eingangs Bezug genommen wurde, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst.
Durch die kraftschlüssige Kopplung des Asynchronmotors mit der Synchronmaschine wird dem Asynchronmotor eine konstante Drehzahl und damit ein konstanter Schlupf aufgezwungen, der die abgegebene Leistung Nas bestimmt. Belastungsänderungen der Antriebsvorrichtung können daher die Leistungsabgabe Nas des Asynchronmotors nicht mehr beeinflussen; die Lastschwankung übernimmt die Synchronmaschine. Fällt die Belastung der Maschinenkombination unter den Wert der vom Asynchronmotor bei dem erzwungenen Schlupf abgegebenen Leistung Ναά so wird von der Synchronmaschine mechanische Leistung NsyCcn aufgenommen. Die Synchronmaschine läuft dann als Generator und liefert entsprechend ihrem Generatorwirkungsgrad elektrische Leistung an das Netz zurück.

Messungen haben gezeigt, daß Synchronmaschinen im Generatorbetrieb etwa die eineinhalbfache Leistung aufnehmen können, als ihrer Motornennleistung Ns_y entspricht, ohne außer Tritt zu fallen.

Die von der Antriebsvorrichtung maximal abgebbare Leistung Nk (Nennleistung) ist die Summe der Nennleistung der als Motor betriebenen Synchronmaschine und der bei dem festgelegten Schlupf vom Asynchronmotor abgegebenen Leistung Na₅- Die ohne Drehzahlerhöhung minimal abzugebende Leistung Nl (Minimalleistung) ergibt sich aus der Differenz der vom Asynchronmotor abgegebenen Leistung N_As und der von der Synchronmaschine im Generatorbetrieb maximal aufnehmbaren Leistung Nsyccn-

Es gilt /Vf. = N_As - N_SyCen- '5

Bei Berücksichtigung von NsyCen ~ 1.5 Nsy, wobei Nsy die Nennleistung der als Motor betriebenen Synchronmaschine bedeutet, ergibt sich für die von der Antriebsvorrichtung ohne Drehzahlerhöhung abzugebende Minimalleistung Nl ~ N_As — 1.5 Nsy.

Die Minimalleistung kann also, falls erwünscht, auch zu Null gemacht werden.

Nur in wenigen Anwendungsfällen werden Motoren verfügbar sein, deren Nennleistungen genau die geforderten Werte besitzen, da zumindest handelsübliehe Motoren bezüglich ihrer Nennleistungen im allgemeinen mehr oder weniger grob gestuft sind. Aus Gründen der Betriebssicherheit wird man selbstverständlich gegebenenfalls einen Synchronmotor mit der über dem Sollwert liegenden Nennleistungsstufe einsetzen, wobei sich unter Umständen der Leistungsüberschuß durch den Einsatz eines entsprechend kleineren Asynchronmotors kompensieren läßt.

In manchen Fällen kann es erforderlich sein, auch beim Asynchronmotor auf die über dem Sollwert liegende Nennleistungsstufe überzugehen. Um die Drehzahlkonstanz der Antriebsvorrichtung bei Minimalbelastung nicht zu gefährden, ist es zweckmäßig, die vom Asynchronmotor tatsächlich abgegebene, von der Belastung der Antriebsvorrichtung unabhängige Leistung durch entsprechende Wahl der Übersetzung des Ausgleichsgetriebes und damit der konstanten Drehzahl des Asynchronmotors, wie schon beschrieben, so auf einen unterhalb seiner Nennleistung liegenden Wert festzulegen, daß die Nennleistung der Antriebsvorrichtung die geforderte Größe nicht oder nicht wesentlich übersteigt.

Trotz der Aufteilung der Antriebsvorrichtung nach der Erfindung in zwei Motoreinheiten bleibt das gesamte Bauvolumen noch ganz wesentlich unter dem Volumen eines Synchronmotors, der die gesamte Antriebsleistung zu übernehmen hätte. Darüber hinaus ergibt die Aufteilung in zwei Einheiten in vielen Fällen eine Erleichterung beim Einbau der Antriebsvorrichtung in ein Gerät.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Antriebsvorrichtung hoher Drehzahlkonstanz, insbesondere für stark wechselnde Belastung, mit einem direkt vom Versorgungsnetz gespeisten Asynchronmotor, der mit einer je nach der Belastung der Antriebsvorrichtung als Motor oder als Generator arbeitenden Synchronmaschine über ein Getriebe gekuppelt ist, dessen Übersetzungsverhältnis dem Verhältnis der mit der Netzfrequenz synchronen Drehzahl der Synchronmaschine und einer bestimmten Drehzahl des Asynchronmotors entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronmaschine eingesetzt wird, deren Nennleistung Ns_y im Motorbetrieb etwa 40% der Differenz zwischen der von der Antriebsvorrichtung maximal abzugebenden Leistung Nk und der von ihr bei minimaler Belastung abzugebenden Leistung Nl beträgt und daß die Drehzahl des Asynchronmotors so festgelegt ist, daß dieser an die Antriebsvorrichtung eine (konstante) Leistung N_As abgibt, welche der Differenz zwischen der von der Antriebsvorrichtung maximal abzugebenden Leistung Nk und der Nennleistung Ns_y der Synchronmaschine im Motorbetrieb entspricht.