DE1613104C3 - Steuerschaltung für Induktionsmotoren mit elektronischer Kommutierung - Google Patents

Description

duktionsmotor das Drehfeld einschaltet, dann bewegt sich dieses, solange der Läufer stillsteht oder nur mit geringer Drehzahl umläuft, mit großer Geschwindigkeit durch den Läufer, und es mu/3 verhindert werden, daß durch die dabei induzierte hohe EMK zu starke Ströme entstehen, welche das Netz in unerwünschter Weise belasten, während bei einem zu großen, vom Schlupf abhängigen Läuferstrom bekanntlich kein vernünftiges Anlaufdrehmoment erzielbar ist. Daher bestehen die bei konventionellen Induktionsmotoren angewendeten Maßnahmen darin, daß man beispielsweise bei einem Schleifringläufer während des Anlaufs einen Anlaßwiderstand in den Läuferkreis schaltet und mit steigender Drehzahl diesen Widerstand verkleinert und schließlich kurzschließt. Eine andere bekannte Maßnahme bei konventionellen elektrischen Maschinen besteht in der Verwendung von polumschaltbaren Wicklungen, wobei sich jedoch das Problem einer optimalen Ausnutzung der Leistungsfähigkeit von elektronischen Schaltelementen, für welche der zulässige Spitzenstrom in der Nähe des maximalen Nennstroms liegen muß, überhaupt nicht stellt. Dij bei üblichen Induktionsmotoren bisher angewandten Maßnahmen zielen im allgemeinen darauf hin, beim Anlauf den Strom in den Feldwicklungen zwecks Erzeugung eines möglichst großen Anlaufdrehmoments gerade zu erhöhen, weil ja das Drehmoment eines Induktionsmotors ungefähr dem Quadrat dieses Stromes und damit dem Quadrat der Amperewindungszahl proportional ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß ohne wesentliche Überschreitung des von den elektronischen Schaltelementen zu schaltenden Nennstroms beim Anlauf und beim Betrieb mit geringer Drehzahl wesentlich über dem Nennmoment liegende Motordrehmomente erzielbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung gekennzeichnet durch wenigstens ein durch mindestens eine Motorbetriebsgröße steuerbares Schaltglied zur Erhöhung der Anzahl der Amperewindungen der Feldwicklung beim Anlauf und bei geringer Drehzahl derart, daß der induktive Widerstand des Motorlastkreises wenigstens näherungsweise konstant bleibt.

Dadurch wird mit einem verhältnismäßig geringen Schaltungsaufwand erreicht, daß die Leistungsfähigkeit der elektronischen Schaltelemente nicht nur beim Anlauf und bei kleinen Drehzahlen, sondern auch beim Betrieb mit der Nenndrehzahl voll ausgenutzt wird, da ja der Motorstrom wenigstens näherungsweise stets eine dem Wert des Nennstroms entsprechende Größe hat, und daß trotzdem das Anlaufdrehmoment beträchtlich höher als das Nennmoment ist. Beim Nennbetrieb des Motors resultiert der induktive Widerstand ω L des Motorlastkreises aus der der Nenndrehzahl des Motors proportionalen, durch die Kommutierungsfrequenz bestimmten Kreisfrequenz ω und der dann nur verhältnismäßig kleinen Induktivität L der Feldwicklungen, welche dann so geschaltet sind, daß ihre wirksame Amperewindungszahl einen entsprechend geringen Wert hat. Beim Anlauf des Motors oder beim Betrieb mit kleinen Drehzahlen jedoch sind die Feldwicklungen derart geschaltet, daß die wirksame Amperewindungszahl ihren größten Wert oder einen größeren Wert als beim Nennbetrieb hat, so daß bei näherungsweise konstantem Motorstrom ein entsprechend höheres Motordrehmoment erzielbar ist. Mit steigender Motordrehzahl, also mit steigender Kommutierungsbzw. Kreisfrequenz ω, ist dann die Induktivität L durch entsprechende Verringerung der Amperewindungszahl so zu verkleinern, daß der induktive Widerstand ω L wenigstens näherungsweise konstant bleibt.

Vorzugsweise ist zu diesem Zwecke eine Parallel-Serien-Schaltung der Feldwicklungen derart vorgesehen, daß das beispielsweise als Funktion der Motordrehzahl steuerbare Schaltglied zum geeigneten Zeitpunkt die Umschaltung vornimmt. Um bei Parallelschaltung eine elektrische Unsymmetrie zu vermeiden, sind die Feldwicklungen zweckmäßigerweise bifilar gewickelt, und die beiden Einzelwicklungen sind entsprechend in Reihe oder parallel schaltbar.

Ein derartiges einfaches Schaltglied, das als Funktion der Drehzahl oder einer zur Drehzahl proportionalen Spannung gesteuert wird, ist leicht mit bekannten elektrischen Elementen zu realisieren.

Im Falle einer Serien-Parallel-Umschaltung der Feldwicklungen wird der Motor während seines Anlaufs in Serienschaltung und danach, wenn er eine hinreichend große Drehzahl erreicht hat, in Parallelschaltung betrieben. Da das Motordrehmoment etwa dem Quadrat der Amperewindungszahl proportional ist, erreicht man auf diese Weise in Serienschaltung, also während des Anlaufs, ein viermal größeres Drehmoment als in Parallelschaltung, da ja der Gesamtmotorstrom, welcher durch die Kommutierungsschaltung und ihre Steuerspannung bestimmt ist, stets näherungsweise konstant bleibt, d. h., er kann während jeder Erregungshalbwelle auf seinen maximalen Nennwert ansteigen. Da ferner die Schlupffrequenz beim Anlauf im Bereich von nur etwa 3 bis 6 Hz gehalten wird, kann unter optimaler Ausnutzung der maximalen Windungszahl mit dieser so lange gearbeitet werden, wis es die Gegeninduktion zuläßt. Der Übergang auf Parallelschaltung ist erst dann erforderlich, wenn bei erhöhter Drehzahl die Gegeninduktion in der Ständerwicklung so stark wird, daß der Motorstrom bei Serienschaltung nicht mehr seinen Nennwert erreicht.

Unter Umständen genügt es auch, nur eine bestimmte Anzahl von Windungen der mit wenigstens einer Zwischenanzapfung versehenen Feldwicklungen zu- und abzuschalten, jedoch wird auf diese Weise der nicht in Betrieb befindliche Wicklungsteil und damit das Kupfer nur schlecht ausgenutzt.

Ferner kann die Serien-Parallel-Umschaltung der Feldwicklungen mit einer an sich bei Drehstrom-Asynchron-Motoren zur Drehzahlsteuerung bekannten Polumschaltung kombiniert werden. So kann der Motor beispielsweise beim Anlauf oder beim Betrieb mit geringer Drehzahl in Serienschaltung der Feldwicklungen mit vier Polen und bei erhöhter Drehzahl in Parallelschaltung der Feldwicklungen mit zwei Polen betrieben werden, wobei das die Reihen-Parallel-Umschaltung bewirkende Schaltglied gleichzeitig auch die Umschaltung auf eine andere Polpaarzahl der Ständerwicklung vornimmt.

Schließlich läßt sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme auch dadurch erreichen, daß man in bei üblichen Induktionsmotoren bekannter Weise die Feldwicklungen von Sternschaltung auf Dreieckschaltung und umgekehrt umschaltet.

Die Maßnahme nach der Erfindung läßt sich mit Vorteil auch bei Steuerschaltungen für Induktions-

motoren anwenden, bei denen in an sich bekannter Weise die Feldwicklung des Motors im Sekundärkreis eines Transformators liegt, während die elektronischen Schaltelemente der Kommutierungsschaltung im Primärkreis dieses Transformators angeordnet sind. Eine derartige Schaltung ist insbesondere in Verbindung mit einem Motor, der einen dauermagnetischen Läufer aufweist, bekannt (französische Patentschrift 1 349 482) und hat den Vorzug, daß der eigentliche Motorstromkreis galvanisch von der die elektronischen Schaltelemente aufweisenden Steuerschaltung getrennt ist. Bei einer derartigen Schaltung wird die erforderliche Änderung der Anzahl der Amperewindungen vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Zahl der Primärwindungen des Transformators stufenweise über mehrere Anzapfungen oder aber stetig verändert wird. Auf diese Weise erfolgt also eine Änderung der Amperewindungszahlen der Feldwicklung indirekt durch eine Änderung der Windungszahlen der Primärwicklung des Transformators derart, daß das Motordrehmoment wiederum sowohl beim Anlauf des Motors als auch bei kleinen Drehzahlen auf einem optimalen Wert gehalten werden kann. Bei einer stufenweisen Änderung der Windungszahlen der Primärwicklung des Transformators wählt man das Verhältnis der extremen Frequenzen einer Stufe vorzugsweise größenordnungsmäßig zu 2 bis 3. Hierbei ist natürlich dafür zu sorgen, daß die Kommutierungsfrequenz niemals Null wird, eine Bedingung, die jedoch leicht zu erfüllen ist.

Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, den Erregerstrom während der zur Aufrechterhaltung des induktiven Widerstandes des Motorlastkreises zwischen vorgebbaren Grenzen erforderlichen Umschaltung der Amperewindungszahl momentan abzuschalten.

Claims (10)

1 2 elemente passierende, zulässige Spitzenstrom auf Patentansprüche: einen in der Nähe des maximalen Nennstroms liegenden Wert begrenzt und die Schlupffrequenz auf

1. Steuerschaltung für Induktionsmotoren mit einem optimalen Wert gehalten ist.
elektronischer Kommutierung, bei welcher der 5 Bei einer bereits vorgeschlagenen Steuerschaltung die elektronischen Schaltelemente passierende, dieser Art (deutsche Offenlegungsschrift 1 513 174) zulässige Spitzenstrom auf einen in der Nähe des sind die elektronischen Schaltelemente derart ausgemaximalen Nennstroms liegenden Wert begrenzt legt, daß der bei Nenndrehzahl auftretende Nenn- und die Schlupffrequenz auf einem optimalen strom praktisch so groß ist wie der zulässige Spitzen-Wert gehalten ist, gekennzeichnet io strom durch die Schaltelemente. Auf diese Weise ist durch wenigstens ein durch mindestens eine die Leistungsfähigkeit der Schaltelemente aus wirt-Motorbetriebsgröße steuerbares Schaltglied zur schaftlichen Gründen dem Motornennbetrieb ange-Erhöhung der Anzahl der Amperewindungen der paßt. Gleichzeitig wird die Schlupffrequenz dieses Feldwicklung beim Anlauf und bei geringer Motors durch eine Hilfsschaltung automatisch auf Drehzahl derart, daß der induktive Widerstand 15 einem optimalen Wert gehalten. Das bedeutet, daß des Motorlastkreises wenigstens näherungsweise sich mit einem derartigen Motor ohne besondere konstant bleibt. Hilsmaßnahmen beim Anlauf kein höheres Drehmo-

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ment als beim Nennbetrieb erzielen läßt. Diese wüngekennzeichnet, daß die Feldwicklungen von Se- sehenswerte Maßnahme ließe sich in naheliegender rienschaltung auf Parallelschaltung und umge- 20 Weise nur dadurch verwirklichen, daß die elektronikehrt umschaltbar sind. sehen Schaltelemente derart ausgelegt werden, daß

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch ihr zulässiger Spitzenstrom beträchtlich höher als der gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen bifilar Motornennstrom ist, so daß diese Schaltelemente für ("t gewickelt sind und die beiden Einzelwicklungen den Anlaufbetrieb eine genügend große Reserve ha-

in Reihe und parallel schaltbar sind. 25 ben, die entsprechend höhere Anlaufströme zuläßt.

4. Steuerschaltung nach einem der An- Hierbei wäre jedoch ein unwirtschaftlicher Schalsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tungsaufwand erforderlich, da die Leistungsfähigkeit Umschaltung der Amperewindungszahl mit einer der Schaltelemente nur beim Anlauf ausgenutzt Änderung der Polpaarzahl kombiniert ist. würde.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch 30 In einer anderen bekannten Steuerschaltung gekennzeichnet, daß die Serienschaltung einem (französische Patentschrift 1 389 046) wird ebenfalls Motor mit 2n Polen entspricht, während die Par- der maximale Motorstrom auf den Wert des Nennallelschaltung einem Motor mit η Polen ent- Stroms begrenzt, und zwar dadurch, daß die elektrospricht. nischen Schaltelemente, bei denen es sich vorzugs-

6. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch 35 weise um Leistungstransistoren handelt, durch stromgekennzeichnet, daß die Feldwicklungen wenig- abhängig gesteuerte Schaltglieder immer dann gestens eine Zwischenanzapfung zur Änderung der sperrt werden, wenn der Motorstrom den vorgebba-Amperewindungszahl durch Zu- oder Abschal- ren Nennwert erreicht. Diese zum Schütze der HaIbtung von Windungen aufweisen. leiterelemente wesentliche Begrenzung des Anlauf-

7. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch 40 Stroms und des Motorstroms bei geringer Drehzahl gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen stufen- bringt wiederum den Nachteil mit sich, daß das erweise von Sternschaltung auf Dreieckschaltung zielbare Anlaufdrehmoment nur einen Wert in der und umgekehrt umschaltbar sind. Nähe des Nennmoments erreicht, während häufig ein

8. Steuerschaltung nach Anspruch 1 mit einer wesentlich höheres Anlaufdrehmoment wünschens- _r im Sekundärkreis eines Transformators liegenden 45 wert oder erforderlich ist. V» Feldwicklung und mit im Primärkreis dieses Bei einer anderen bekannten Steuerschaltung für Transformators liegenden Kommutierungsele- einen Synchronmotor mit einem Dauermagnetläufer menten, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (britische Patentschrift 936 196) ist eine Dreieck-

der Amperewindungen der Primärwicklung des Stern-Umschaltung der Motorwicklungen vorgese-Transformators stufenweise über mehrere Anzap- 50 hen, wodurch beim Betrieb in Sternschaltung ein höfungen oder stetig veränderbar ist. herer induktiver Widerstand und ein entsprechend

9. Steuerschaltung nach einem der An- geringerer Motorstrom als beim Betrieb in Dreiecksprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltung erzielt werden. Diese Maßnahme dient je-Schaltglied als Funktion der Motordrehzahl steu- doch nicht einer Erhöhung des Motoranlaufmoerbar ist. 55 ments, sondern lediglich dazu, um zwei verschiedene

10. Steuerschaltung nach einem der An- Synchrondrehzahlen einstellen zu können, wobei jesprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der doch bei der in Sternschaltung auftretenden verrin-Erregerstrom während der Umschaltung der Am- gerten Drehzahl ein entsprechend geringerer Motorperewindungszahl momentan abschaltbar ist. strom in Kauf genommen werden muß und daher die

60 Leistungsfähigkeit der elektronischen Schaltelemente

wiederum nicht optimal ausnutzbar ist.

Nun tritt das Problem einer vorteilhaften Dimensionierung des Anlaufstroms bzw. der Erzeugung eines über dem Nennmoment liegenden Anlaufmo-65 ments auch bei klassischen Induktionsmotoren bzw.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschal- Asynchronmotoren auf, hat jedoch einen anderen tung für Induktionsmotoren mit elektronischer Korn- Aspekt als bei der eingangs erwähnten elektronischen mutierung, bei welcher der die elektronischen Schalt- Steuerschaltung. Wenn man bei einem üblichen In-