DE2241674B2 - Anlaufregelungsvorrichtung fuer asynchronmotore mit gewickeltem laeufer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anlaufregelungsvorrichtung für Asynchronmotore mit gewickeltem Läufer, Schleifringen und Bürsten, einen an die Bürsten angeschlossenen, steuerbare Halbleiterventile enthaltenden Ventilblock und einen vom Läuferkreis beaufschlagten, die Öffnungszeiten der Halbleiterventile bestimmenden Steuerblock.

Bei einer bekannten Anlaufregelungsvorrichtung dieser Art (US-PS 35 86 935) besteht der Steuerblock im wesentlichen aus drei Stromwandlern, einem Dreiphasen-Spannungswandler mit zwei Sekundärwicklungen je Phase and drei Regelkreisen, die jeweils mit den Steuerelektroden der an die Bürsten angeschlossenen Halbleitervcntile verbunden sind. Die Primärwicklun- <*, gen der Stromwandler sind jeweils zwischen den Bürsten des Laufers und den in Sternschaltung angeordneten Halbleiterventilen eingeschaltet und die in Sternschaltung ausgebildeten Primärwicklungen des Spannungswandlers sind an diese Bürsten angeschlossen.

leder Regelkreis enthält ein von einer Hilfs-Gleichspannung gespeistes Potentiometer, mit dessen Schleifer die Soll-Drehzahl eingestellt wird. Dieser Schleifei ist über eine Reihenschaltung, bestehend aus einen ersten und zweiten Widerstand und einem Kondensatoi mit einem von einer Hilfs-GIeichspannung gespeisten einen Transistor enthaltenden Impulserzeuger verbun den, dessen Ausgang über einen Impuls-Transformatoi an die Steuer-Elektrode des zugeordneten Halbleiter ventils angeschlossen ist

Die Sekundärwicklung des dem betreffenden Steuer kreis zugeordneten Stromwandlers ist an einer Gleichrichter angeschlossen, der mit dem erwähnter ersten Widerstand des Steuerkreises verbunden ist, se daß an diesem eine Gleichspannung abfällt, welche dem Läuferstrom proportional ist. Die eine Sekundärwicklung des Spannungswandlers ist ebenfalls an einen Gleichrichter angeschlossen, der den zweiten Wider stand des Steuerkreises speist, so daß an diesem eine Gleichspannung abfällt, welche der Rotordrehzahl umgekehrt proportional ist. Schließlich ist die zweite Sekundärwicklung des Spannungswandlers an den Kondensator angeschlossen, an welchem daher eine der Läuferspannung proportionale, um etwa 90° gedrehte Wechselspannung ansteht.

Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist der hohe Bauaufwand mit zahlreichen Bauelementen, welche insgesamt zu einer Beeinträchtigung der Betriebssicherheit führen können.

Bekannt ist ferner eine Regelungsvorrichtung für Asynchronmotore mit gewickeltem Läufer (US-PS 27 17 349). bei der Thyratrons anstelle von Halbleiterventilen an den Läuferkreis angeschaltet sind. An diesen Läuferkreis ist auch über einen Kondensator die Primärwicklung eines Transformators angeschaltet, der an seiner Sekundärwicklung eine Steuerspannung abgibt, deren Amplitude sich umgekehrt zur Drehzahl des Läufers ändert. Diese Steuerspannung wird gleichgerichtet und in einem Gleichspannungsverstärker verstärkt, dessen Ausgang an die in Reihe geschalteten ersten Wicklungen von sättigbaren Drosseln angeschlossen ist. Mit zunehmenden Stromschluß durch die Drosseln vermindert sich die Reaktanz der jeweils darauf angeordneten zweiten Wicklungen, woraus eine Phasenverschiebung der Gitterspannung der Thyratrons und damit von deren Zündzeitpunkt abgeleitet wird.

Bei dieser bekannten Regelungsvorrichtung sind an die Läuferwicklung des Asynchronmotors Kondensatoren angeschaltet. Derartige Kondensatoren werden auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet, ohne jedoch hierfür einen selbständigen Schutz geltend zu machen.

Die erläuterte bekannte Regelungsvorrichtiing benötigt eine Vielzahl aufwendiger und auch empfindlicher Bauelemente, wie beispielsweise den Gleichspannungsverstärker, worunter die Betriebssicherheit leidet. Da die Spannung und auch die Frequenz des Läufers mit zunehmender Annäherung an die Synchroridrehzahl beide gegen Null gehen, wird, unter Beachtung der Abnahme der Steuerspannung über einen Kondensator, bereits in der Nähe der Nenndrehzahl die Steuerspannung sehr kleine Werte annehmen und dadurch ein zuverlässiger Regelbetrieb gefährdet.

Bekannt ist ferner ein in Sonderbauform ausgebildeter, in seiner Drehzahl regelbarer Asynchronmotor (DL-PS 60 366), bei dem in jede Läuferspule steuerbare Halbleiterventile eingeschaltet sind. Auf der Läuferwelle ist ein Hilfsläufer angeordnet, welcher für jedes Paar von im Motor-Läuferkreis enthaltenden Halbleiterven-

tilen in Anti-Parallelschaltung ein Paar von Hilfswicklungen enthält, welche mit den Stjuerelektroden der Halbleiterventile verbunden sind Der Hilfsläufer ist von einem HilfsStänder umgeben, der vom Netz erregt wird. Der Hilfsständer kann seinerseits zur Änderung der Phasenlage verdrehbar ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, den Hilfsständer stationär auszubilden und über >;:nen Induktionsphasenumformer an das Netz anzuschalten. Da dieser Induktionsphasenumformer nur die Aufgabe hat, die Phasenlage des HilfsStänders des Asynchronmotors zur Drehzahlverstellung gegenüber der Phasenlage des Netzes zu verändern, besteht zwischen dem ans Netz angeschalteten Ständer des Induktionsphasenumformers und dessen mit dem Hilfsstator verbundenen Läufer keine galvanische Verbindung.

Der bekannte, in seiner Drehzahl regelbare Asynchronmotor kommt zwar mit wenig störungsanfälligen Bauteilen aus, bedingt aber eine sehr aufwendige Sonderkonstruktion. Ferner ist ein ruhiger Lauf in der Nähe der Nenndrehzahl kaum erreichbar, da die in den Wicklungen des Hilfsläufers induzierte Spannung von Läuferstillstand bis zur Synchrondrehzahl von einem Ausgangswert bis auf Null abfällt, so daß in der Nähe der Synchrondrehzahl, nämlich bei der Nenndrehzahl, nur eine minmale Steuerspannung vorliegt, welche zur Durchsteuerung der Halbleitsrventile nicht ausreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlaufregelungsvorrichtung für Asynchronmotor mit gewickeltem Läufer, Schleifringen und Bürsten zu schaffen, welche einfach ausgebildet ist, große Betriebssicherheit auf weist und die Regelung mit kleinen Verlusten durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Anlaufregelungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerblock ein Induktionsphasenumformer mit einem Ständer und einem hierzu winkelförmig verdrehbaren Läufer ist, daß der Ständer des Induktionsphasenumformers eine mit der Läuferwicklung des Asynchronmotors verbundene Erregerwicklung und eine Steuerwicklung aufweist, daß der Läufer des Induktionsphasenumformers eine mit den Steuerelektroden des Halbleiterventilblocks verbundene weitere Steuerwicklung aufweist, welche eine größere Windungszahl als die Steuerwicklung des Ständers aufweist und mit dieser in Reihe geschaltet ist und daß an die Läuferwicklung des Asynchronmotors Kondensatoren angeschaltet sind.

In Weiterbildung der Erfindung können die Erregerwicklung und die Steuerwicklung im Ständer des Induktionsphasenumformers zu einer stationären Wicklung vereinigt und über einen Trenntransformator mit der Läuferwicklung des Asynchronmotors verbunden sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Halbleiter-Ventilblock und die Kondensatoren fest auf der Welle des Asynchronmotors angeordnet und direkt an dessen Läuferwicklung unter Vermeidung von Schleifringen und Bürsten angeschlossen und es ist der Induklionsphasenumformer über drehbare Transformatoren jeweils mit der Läuferwicklung des Asynchronmotors bzw. mit den Steuerelektroden des Halbleiter-Ventilblocks verbunden. Durch diese Ausbildung werden verschleißabhängige Komponenten im elektrischen Teil des Asynchronmotors völlig vermieden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform der Anlaufregelungsvorrichtung, bei der der Halbleiter-Ventilblock über Bürsten und Schleifringe mit dem gewickelten Läufer verbunden ist,

Fig.2 eine Schaltung einer zweiten Ausführungsform, bei welcher der im Steuerblock enthaltene Induktionsphasenumformer über einen Trenntransformator mit der Läuferwicklung verbunden ist,

ίο F i g. 3 eine Schaltung einer dritten Ausführungsform, bei welcher der Halbleiter-Ventilblock auf der Läuferwelle angeordnet ist und dieser, sowie der Läufer über drehbare Transformatoren mit dem Steuerblock verbunden ist,

Fig.4 einen axialen Schnitt durch einen in der Ausführungsform gemäß F i g. 3 verwendbaren drehbaren Transformator,

Fig. 5 eine Schaltung des Läufers mit einem Thvristoren in Dreieckschaltung enthaltender. HaIbleiterventilblock,

Fig. 6 eine Schaltung des Läufers mit einem Thyristoren in Sternschaltung enthaltenden Halbleiterven*ilblock,

Fig. 7 einen axialen Schnitt durch einen Asynchronmotor in Ausbildung mit einer Schaltung gemäß F i g. 3 und

Fig.8 Zeigerdiagramme der elektromotorischen Spannungen in den Wicklungen des Induktionsphasenumformers bei verschiedenen Winkelstellungen seines Läufers.

Bei der in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsform ist die Läuferwicklung 2 des zu regelnden Asynchronmotors 1 über Schleifringe und Bürsten mit der Erregerwicklung 5 eines Induktionsphasenumformers 4 und mit einem Halbleiterventilblock 3 verbunden. Der Induktionsphasenumformer weist im Ständer ferner noch eine Steuerwicklung 6 auf und enthält im Läufer eine Steuerwicklung 7. Die Steuerwicklungen 6 und 7 sind in Reihe geschaltet und mit dem Halbleiterventilblock zu dessen Steuerung verbunden. An die Läuferwicklung 2 sind Kondensatoren 8 angeschaltet. Eine Geschwindigkeitsrückführung 9 ist mit gestrichelten Linien dargestellt.

Die Anlaufregelungsvorrichtung gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von der in F i g. 1 veranschaulichten dadurch, daß der Induktionsphasenumformer 4 über einen Trenntransformator 22 mit der Läuferwicklung 2 verbunden ist. In diesem Fall wird für den Induktionsphasenumformer 4 nur eine Ständerwicklung 20 benötigt, die gleichzeitig die Funktionen der Erregerwicklung 5 und der im Ständer angeordneten Steuerwicklung 6 erfüllt.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 sind der Halbleiterventilblock 3 und die Kondensatoren 8 fesi auf der den Motorläufer 24 tragenden Welle angeordnei und der Induktionsphasenumformer 4 ist sowohl mit der Läuferwicklung 2, als auch dem Halbleiterventilblock 2 durch Anordnungen von drehbaren Transformatoren IC und 15 verbunden.

Wie die F i g. 4 zeigt, besteht ein drehbarer Transfer mator aus zwei konzentrisch zueinander unter Belas sung eines Luftspaltes 23 angeordneten Ringen 11 unc 12 aus ferromagnetischem Material. Jeder Ring 11, Y, weist einen zum Luftspalt 23 offenen ringförmiger Kanal auf, der eine Ständerwicklung 13 bzw. Läufer wicklung 14 aufnimmt.

Die Fig.5 und 6 zeigen die Anschaltung de Läuferwicklung 2 an den Halbleiterventilblock 3, wöbe

die Halbleiterventile von Thyristoren in Dreieckschaltung bzw. Sternschaltung gebildet sind.

Die F i g. 7 veranschaulicht die konstruktive Ausbildung eines Asynchronmotors, welcher mit drehbaren Transformatoren 10, 15, Kondensatoren 8 und einem Halbleiterventilblock 3 ausgestattet ist. Auf der Motorwelle sind auf der einen Seite des Läufers 24 der Halbleiterventilblock 3 und die drehbaren Transformatoren 15 befestigt, während auf der anderen Seite des Läufers die Kondensatoren 8 und die drehbaren Transformatoren 10 befestigt sind.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird auf die Zeigerdiagramme in Fig. 8a —8d Bezug genommen. Hierin sind mit Ej und E₂ die elektromotorischen Kräfte der Ständer-Steuerwicklung 6 bzw. der Läufer-Steuerwicklung 7 und mit Uy die den Halbleiterventilen zugeführte Steuerspannung des Induktionsphasenumformers 4 bezeichnet.

Es soll zuerst der Fall des eingeschalteten stillstehenden Asynchronmotors bei in Null-Stellung befindlichem Induktionsphasenumformer betrachtet werden. An der mit der Läuferwicklung 2 des Asynchronmotors 1 verbundenen Erregerwicklung 5 steht daher eine Spannung an, welche gleich der Läufer-Leerlaufspannung des Asynchronmotors ist und in ihrer Frequenz der Netzfrequenz entspricht.

In der Ständer-Steuerwicklung 6 wird eine EMK E\ induziert, deren Größe der Läuferspannung proportional ist, in ihrer Frequenz der Läuferspannung entspricht und dieser hinsichtlich der Phasenlage fest zugeordnet ist. Zwecks Vereinfachung wird in folgendem die EMK E\ als gleichphasig mit der Läuferspannung unterstellt.

In der Läufer-Steuerwicklung 7 wird eine EMK E? induziert, die wegen der voraussetzungsgemäß etwas größeren Windungszahl dieser Wicklung größer als die EMK Ei und, gegenüber dieser und damit der Läuferspannung um 180° phasenverschoben ist (Fig. la). Aufgrund der Reihenschaltung der Ständer-Steuerwicklung 6 und der Läufer-Steuerwicklung 7 ergibt sich die Steuerspannung Uy durch geometrische Addition der Zeiger von Ei und E₂ (im Falle der F i g. 8a bereits durch einfache Addition). Die Steuerspannung Uy ist um 180° gegenüber der Läuferspannung phasenverschoben und die Halbleiterventile sind ganz gesperrt.

Wird der Läufer des Induktionsphasenumformers 4 etwas verdreht so verschiebt sich die Phasenlage der EMK E₂ und, wenn auch nicht um den gleichen Winkel, diejenige der Steuerspannung Uy. Die Halbleiterventile werden dadurch während eines kleinen Bruchteils jeder Periode leitend und es beginnt ein Läuferstrom zu fließen, wodurch sich der Läufer des Asynchronmotors zudrehen beginnt.

Durch diese Drehung nimmt die Frequenz und die Spannung des Läufers des Asynchronmotors ab und damit auch proportional die EMKe Ei und E₂ (F i g. 8b). Wird der Läufer des Induktionsphasenumformers 4 um einen größeren Winkel verdreht, verschiebt sich die Phasenlage der EMK E₂ und demzufolge auch der Steuerspannung Uy mehr gegenüber der EMK E\.

wodurch die Halbleiterventile während eines größeren Teils jeder Periode leitend bleiben, der Läuferstrom des Asynchronmotors ansteigt und dessen Läufer seine Drehzahl vergrößert, wodurch wiederum die Läuferspannung abnimmt (F i g. 8c).

In der vollen EIN-Stellung des Induktionsphasenumformers 4 sind schließlich die EMKe Ei und E₂ und die Steuerspannung Uy in Phase mit der Läuferspannung des Asynchronmotors. Die Halbleiterventile bleiben daher während des größten Teils einer Periode leitend und der Läufer erreicht seine größte Drehzahl. Dementsprechend werden auch die Spannung des Läufers des Asynchronmotors und die EMKe Ei und E₂ klein. Vorteilhaft ist aber, daß in diesem Fall die Steuerspannung Uygleich der Summe der EMKe Ei und E₂ ist (F i g. 8d) und daher bis nahe an die Synchrondrehzahl ein für die Durchsteuerung der Halbleiterventile hinreichend große Steuerspannung zur Verfügung gestellt werden kann.

Gleiches gilt, wie die F i g. 8a — 8c: ausweisen, auch für die vorhergehend erläuterten Betricbszustände.

Die dargelegte Wirkungsweise ist auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 gegeben. Der mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis ausgebildete dreiphasige Trenntransformator 22 trennt den Induktionsphasenumformer 4 galvanisch von der Läuferwicklung 2. Die Ständerwicklung 20 des Induktionsphasenumformers übt gleichzeitig die Funktion der Erregerwicklung 5 und der Steuerwicklung 6 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 aus und ist daher mit der Läufer-Steuerwicklung 21 in Reihe geschaltet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 treten die drehbaren Transformatoren 10 an die Stelle des vorerwähnten Trenntransformators. Die weiteren drehbaren Transformatoren 15 übertragen die von Induktionsphasenumformer 4 abgegebene Steuerspannung auf den Halbleiterventilblock 3. Die an die Läuferwicklung 2 angeschalteten Kondensatoren 8 verbessern die Wirkungsweise der Regelungsvorrichtung. Die Geschwindigkeitsrückführung ist nur bei sehr ungleichförmiger Belastung des Asynchronmotors erforderlich.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   I. Anlaufregelungsvorrichtung für Asynchronmotore mit gewickeltem Läufer, Schleifringen und Bürsten, einen an die Bürsten angeschlossenen, steuerbare Halbleiterventile enthaltenden Ventilblock und einen vom Läuferkreis beaufschlagten, die Öffnungszeiten der Halbleiterventile bestimmenden Steuerblock, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerblock ein Induktionsphasenumformer (4) mit einem Ständer und einem hierzu winkelförmig verdrehbaren Läufer ist, daß der Ständer des Induktionsphasenumformers eine mit der Läuferwicklung (2) des Asynchronmotors (1) verbundene Erregerwicklung (5) und eine Steuerwicklung (6) aufweist, daß der Läufer des Induktionsphasenumformers eine mit den Steuerelektroden des HaIbleiterventüblocks (3) verbundene weitere Steuerwicklung aufweist, welche eine größere Windungszahl als die Steuerwicklung (6) des Ständers aufweist und mit dieser in Reihe geschaltet ist und daß an die Läuferwickiung (2) des Asynchronmotors Kondensatoren (8) angeschaltet sind.
2. 2. Anlaufregelungsvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung und die Steuerwicklung im Ständer des Induktionsphasenumformers (4) zu einer stationären Wicklung (20) vereinigt und über einen Trenntransformator (22) mit der Läuferwickiung (2) des Asynchronmotors(I) verbunden sind.
3. 3. Anlaufregelungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Ventilblock (3) und die Kondensatoren (8) fest auf der Welle des Asynchronmotors (1) angeordnet und direkt an dessen Läuferwicklung (2) unter Vermeidung von Schleifringen und Bürsten angeschlossen sind und daß der Induktionsphasenumformer (4) über drehbare Transformatoren (10, 15) jeweils mit der Läuferwicklung (2) des Asynchronmotors bzw. mit den Steuerelektroden des Halbleiter-Ventilblocks (3) verbunden ist.