DE2132179A1

DE2132179A1 - Einrichtung zur elektrischen pendelungsdaempfung von drehfeldmaschinen

Info

Publication number: DE2132179A1
Application number: DE19712132179
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl-Ing Dr Weigand
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1971-06-29
Publication date: 1973-04-19
Also published as: BE785434A; AT315303B; CH536576A; CA960748A; IT956792B; FR2144337A5; GB1397132A; US3800199A; DE2132179B2; JPS5327807B1; NL7205131A

Description

Einrichtung zur elektrischen Pendelungsdämpfung von Drehfeldmasehinen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektrischen Wendelungsdämpfung von Drehfeldmaschinen insbesondere von reibungsarmen iiysteresemotorantrieben, welche von frequenzgesteuerten Umrichtern gespeist sind. Geringe Unregelmäßigkeiten in der Frequenzvorgabe oder laststöße können rotatorische Pendelungen des¹ Maschinenläufers um die mittlere Gleichgewichtslage, d.h. um die Achse des umlaufenden Ständerdrehfeldes, auslösen, welche sich sowohl maschinen- als auch netzseitig als Leistungspendelungen störend bemerkbar machen können. Besonders ausgeprägt ist dies bei Synchronmaschinen ohne Dämpferwicklung, wie z.B» auch bei synchron betriebenen Hysteresemotoren, und solchen Synchronmaschinen mit kleiner mechanischer _tDämpfung_#

Die Aufgäbe, diese Pendelungen zu dämpfen, wird erfindungsgemäß gelöst durch eine auf die Frequenzsteuerung wirkende Aufschaltung für eine zur jeweiligen Pendelungsrichtung gleichsinnige Verdrehung des Ständerdrehfeldes. Grundgedanke der Erfindung ist es also, die an sich mit einer mittleren Winkelgeschwindigkeit umlaufende Achse des Ständerdrehfeldes den um diese Gleichgewichtslage stattfindenden Pendelungen des Maschinenläufers nachzuführen.

In besonders einfacher und wirkungsvoller Weise kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung diese Aufschaltung mittels eines von einer der Umrichterleistung proportionalen Größe beaufschlagten, auf den Pendelfrequenzbereich abge-

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stimmten Bandpasses erfolgen, dessen Ausgangsgröße zusätzlich den Eingang des Frequenzsteuergliedes beaufschlagt. Ss wurde " nämlich erkannt, daß die Erfassung von Richtung und Ausmaß der Verdrehung des Läufers gegenüber der Ständerdrehfeldachse mittels eines Vergleiches zwischen dem Momentanwert einer leistungsproportionalen Größe und ihrem arithmetischen Mittelwert erfolgen kann, wobei ein Überwiegen des Momentanwertes über den Mittelwert einer Verdrehung entgegen der Laufrichtung mit unter/synehroner Charakteristik und ein "Unter schreit en des Mittelwertes vom Momentanwert einer Verdrehung in Laufrichtung mit übersynchroner Charakteristik entspricht. Daher kann die Ausgangsgröße de3 auf den Pendelfrequenzbereich abgestimmten Bandpasses als Korrekturgröße zur Vermeidung von Drehpendelungen verwendet werden. Als leistungsproportionale Größe eignet sich außer der aufgenommenen Wirk- bzw. Scheinleistung, der Umrichterstrom oder die Umrichterspannung.

Weitere Ausgestaltungen der- Erfindung, welche im folgenden anhand der Figuren näher veranschaulicht wird, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein au3 einem gesteuerten Gleichrichter 1 und einem Wechselrichter 2 bestehender Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis ist an ein übliches Drehstromnetz R, S, Ϊ von 50 Hz angeschlossen und speist eine Drehstromsammelschiene mit der Spannung U_w von der Frequenz f_w, welche sich is der Größenordnung von beispielsweise 1 kHz bewegt. An dieses Mittelfrequenznetz sind eine Reihe von snychron laufenden,

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Hysteresemotoren HM angeschlossen, welche mit 4 bezeichnete Zentrifugen antreiben. Derartige Anlagen werden z.B. zur Trennung von Uranisotopen verwendet und können je nach Anlagegröße bis zu einer Million solcher Zentrifugen aufweisen, von denen jede eine Antriebsleistung von ungefähr. 100 Watt benötigt.

Zur Regelung der Ausgangsspannung TJ des Wechselrichters 2 ist ein Spannungsregler 5 vorgesehen, dem als Sollwert eine von einem mit einer positiven Gleichspannung P gespeisten Potentiometer abgegriffene Gleichspannung U* zugeführt ist. Sein Istwert besteht in der gleichgerichteten und geglätteten Ausgangsspannung eines an den Ausgang des Wechselrichters 2 angeschlossenen Spannungswandlers 6. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 5 wirkt auf den Spannungsstelleingang des gesteuerten Gleichrichters 1, Zur Einstellung und Steuerung der Frequenz ist der Wechselrichter 2 mit einem Frequenzstelleingang versehen, auf welchen die Ausgangsspannung eines mit 8 bezeichneten Spannungs-Frequenzumsetzers wirkt. Die Vorgabe der Wechselrichterausgangsfrequenz f erfolgt durch eine entsprechend einstellbare Spannung am Abgriff eines ebenfalls an die Gleichspannung P angeschlossenen Potentiometers 9» welche dem Eingang des Spannungs-Umsetzers 8 zugeführt ist.

Sind die an dem Mittelfrequenznetz angeschlossenen Hysteresemotoren wenig gedämpft, was bei den zuvor erwähnten Zentrifugenantrieben der Fall ist, dann hat die bisher beschriebene Anordnung eine starke Neigung zum Pendeln, wobei erschwerend noch hinzukommt, daß sich die Pendelungen der einzelnen Maschinen gegenseitig synchronisieren und dann sämtliche

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elektrisch parallelgeschalteten Motoren im"Gleichtakt pendeln. Dies kann zu periodischen Leistungsschwankungen bis zu 80 i° führen, was praktisch nicht mehr hinnehmbar ist. Bei Verwendung von Hysteresemotoren wird außerdem bei Pendelungen dieses Ausmaßes eine Ummagnetisierung der Läuferscheiben erfolgen, wodurch sich eine unerwünschte Wärmeentwicklung ergibt.

Um daher die Pendelungen in den G-riff zu bekommen und eine ihnen entsprechende- Meßgröße zu" erhalten, sind zwei Stromwandler 10, 11 in V-Schaltung für den Wechselrichterausgangsstrom vorgesehen, der in einem Drehstrombrückengleichrichter 12 gleichgerichtet und als Spannung an einem Bürdenwiderstand 13 abgebildet wird. Der gleichgerichtete Wechselrichterausgangsstrom I setzt sich aus einem Gleichstromanteil und einer im Takte der Pendelungen schwingenden niederfrequenten Wechselstromkomponente sowie der hochfrequenten Restwelligkeit zusammen. Die Pendelfrequenz f ist dabei abhängig von der mechanischen Ausführung des Antriebs und bewegt sich beim dargestellten Beispiel je nach Füllgrad der Zentrifugen um 0,3 Hz. Pur einen entsprechenden Frequenzbereich ist der Bandpaß BP durchlässig, während sowohl der Gleichstromanteil des Stromes I als auch sein infolge von Oberwellen entstehender, bezüglich f höherfrequenter Anteil vom Bandpaß gesperrt werden. Eine positive Polarität des niederfrequenten, mit der Frequenz f schwingenden Wechselstromanteils des Stromes I tritt bei einem Pendelausschlag entgegen der Laufrichtung auf, während ein negativer Wert des niederfrequenten Wechselstromanteils bei einem Pendelungsausschlag in Laufrichtung erscheint. Die an der Ausgangsklemme 16 erscheinende niederfrequente Wechselstromkomponente wird nun subtraktiv einem Mischglied 18 - beispielsweise am Eingang eines Operationsverstärkers -

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zugeführt und somit vom Vorgabewert der Ständerfrequenz f abgesetzt, wodurch sich eine Ständerfeldnachführung in Bezug auf die periodischen Schwankungen des Läufers ergibt. Man kann dies auch als eine Regelung auf konstanten Frequenzmittelwert auffassen, wobei die Phasenlage des Ständerdrehfeldes als Stellgröße verwendet ist.

In Pig. 2 ist ein passiver Bandpaß dargestellt, der aus zwei Längswiderständen 18 und 19 besteht, an deren Verbindungspunkt ein Querkondensator 20 angeschlossen und mit der Eingangsklemme 15 verbunden ist. In Reihe zum längswiderstand 18 ist ein Längskondensator 21 geschaltet und mit der Eingangsklemme 14 verbunden.

Ein Ausführungsbeispiel für einen aktiven Bandpaß zeigt Pig. 3. Er besteht aus einem Operationsverstärker 22, der in seinem unbeschalteten Zustand eine sehr große Verstärkung besitzt und in seinem Eingangskreis mit der Reihenschaltung eines Kondensators C_Q und eines Widerstandes R_Q und iri seinem Gegenkopplungskreis mit der Parallelschaltung eines Widerstandes R₁ und eines Kondensators C- beschaltet ist. Durch den Kondensator C_Q wird die Gleichstromkomponente (f = 0) gesperrt und der Kondensator C₁ unterdrückt den höherfrequenten Anteil (fp»f_w). Pur den zwischen diesen beiden ^requenzen liegenden PendelfrequenzbereichA^f _p soll dä-/"lFine annähernd konstante Verstärkung des Eingangssignals U_E durch den Bandpaß BP erfolgen.

Es kann sich als zweckmäßig erweisen, in der aus Pig. 1 ersichtlichen Regelschleife für den Frequenzmittelwert ein Vorhaltglied anzuordnen, in der Weise, daß das Ausgangssignal des Bandpasses nicht unmittelbar dem Mischglied 18 zugeführt wird, sondern wie in Pig. 3 angedeutet,

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über die der Parallelschaltung des Widerstandes 24 mit dem Kondensator 23. Auf diese Weise kann eine Beschleunigung der Regelgeschwindigkeit und damit eine besonders schnell wirksame Pendelungsdämpfung erzielt werden.

Pig. 4 zeigt den prinzipiellen Verlauf des Verstärkungsfaktors des Bandpasses BP, d.h. das Verhältnis des Betrages U./Uj, als Punktion der Frequenz f der Eingangsspannung υ«. Beispielsweise ergibt sich für die Werte C₀ = 470 /UP, R₀ i 10 kji, R₁ = 15 kjZund O₁ = 3,3 /üF in einem Bereich ^f zwischen 0,03 Hz und 5 Hz, in welchem etwa auftretende Pendelungsfrequenzen zu erwarten wären, eine etwa gleichbleibende Verstärkung, wobei die maximale Verstärkung durch das Widerstandsverhältnis R-,/Rq =1,5 bestimmt ist. Aus dem Diagramm ist weiterhin die Sperrwirkung bei der Frequenz f = 0 (Gleichstrom) und bei Frequenzen fsf ersichtlich.

Die Erfindung kann bei allen Arten von pendelungsfähigen Drehfeldmaschinen, wie z.B. Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen und Reluktanzmaschinen angewendet werden.

4 Figuren

7 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche.

Einrichtung zur elektrischen Pendelungsdämpfung von Bi)ehfeldmaschinen, insbesondere von reibungsarmen Hysteresemotorantrieben, welche von frequenzgesteuerten Umrichtern gespeist sind, gekennzeichnet durch eine auf die Frequenzsteuerung wirkende Aufschaltung (f ) für eine zur jeweiligen Pendelungsrichtung gleichsinnige Verdrehung des Ständerdrehfeldes.
2.. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer der Umrichterleistung proportionalen Größe

(-O beaufschlagter, auf den Pendelfrequenzbereich w

(<ö»f_,) abgestimmter Bandpaß (BP) vorgesehen ist, dessen Ausgangsgröße zusätzlich den Eingang des Frequenzsteuergliedes (8) beaufschlagt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als, Frequenzsteuerglied ein Spannungsfrequenzumsetzer (8) veränderbarer Eingangsspannung vorgesehen ist, dessen Ausgangsgröße den Frequenzsteileingang des Umrichters beaufschlagt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandpaß aus einem Längskondensator (21) und zwei Längswiderständen (18,19) besteht, an deren Verbindungspunkt ein Querkondensator (20) angeschlossen ist (Pig. 2).
5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandpaß aus einem Verstärker (22) großer Leerlaufverstärkung besteht, in dessem Eingangskreis die Reihenschaltung eines Kondensators (C₀) mit

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einem Widerstand (R_Q) und in dessen Gegenkopplungskreis die Parallelschaltung eines Widerstandes (R₁) und eines Kondensators(CL)angeordnet ist (Fig. 3).
6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Bandpasses über ein Vorhaltglied (23, 24) geführt ist.
7. Einrichtung'nach den Ansprüchen 1 "bis 6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei Gaszentrifugen (4) zur Trennung von Uranisotopen.

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