DE2340197B2 - Drehzahlstellbarer antrieb mit einem induktionsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen drehzahlstellbaren Antrieb mit einem Induktionsmotor, dessen Ständer ein mit Netzfrequenz umlaufendes Drehfeld erzeugt, das auf einen asymmetrischen Läufer mit unterschiedlichen Längs- und Querreaktanzen wirkt, und mit einer in den Zuleitungen vom Netz zum Motor angeordneten Einrichtung zur Einstellung der am Motor anliegenden Speisespannung.

Ein solcher drehzahlstellbarer Antrieb ist aus der Zeitschrift »Archiv für Elektronik«. 1964. Seiten 190 bis 202, bekannt. Der bei diesem bekannten Antrieb verwendete Induktionsmotor besitzt keine Läuferwicklung, sondern lediglich ein Blechpaket rtiit Pollücken-Ausstanzungen und gegebenenfalls innere Flußsperren, wodurch ein möglichst großer Unterschied zwischen Längs- und Querreaktanzen erzeugt wird (Fig. la). Eine andere Bauweise eines einachsigen Motors benutzt eine Läuferwicklung mit zweipoligem Kurzschluß (Fig. Ib), wobei der Läuferwiderstand R\ durch entsprechende Bemessung kleinstmöglich (R\->0) gewählt wird. Derartige Asynchronmaschinen mit einachsigem Läufer (R\« 00 oder /?i «0) bilden ihr Drehmoment mit Hilfe des Ständerstromes h des durch die Asymmetrie des Läufers hervorgerufenen Gegensystems im Zusammenwirken mit dem Ständerkreiswiderstand R_s. Der Ständerkreiswiderstand R_s kann allein der in der Ständerwicklung vohandene Ständerwiderstand R\ sein. Er kann aber auch durch einen zusätzlichen externen Widerstand R„ der sich an beliebiger, möglichst gut zu kühlender Stelle innerhalb der Zuleitung vom Netz zum Motor befindet, vergrößert werden, so daß R_s= R\ + R, ist. Das asynchrone Drehmoment ist mit dem ohmschen Läuferwiderstand /?i= °o nach Fig. la und /?i=0 nach Fig. Ib.

60

= 2 ' Il ■ R, -

U)

Hieraus ist zu ersehen, daß das asynchrone Moment nur vom Ständerkreiswiderstand R₅ und vom Quadrat des Ständerstromes h des Gegensystems abhängig ist. Die Größe I₂ hängt vom Grad der Asymmetrie ab, der eine Funktion von K = XdIX₀ ist.

IO Somit entstehen im Läufer des Motors bei DrehmG-mentbildung praktisch keine stromabhängigen Verluste. Diese treten entweder allein in der Ständerwicklung bzw. zusätzlich zu dieser im externen Widerstand R₂ auf.

Für die Einzelpolmaschine ohne Wicklung ist Zd=JX_d und Zq^jXq, wenn Äi = ~. Für die Maschine mit zweipoliger (einphasiger) Kurzschlußläuferwicklung wird mit Ai=0

Zd=JXd und Zq-jX'd-

Die Maschine kann ohne zusätzliche Hilfe über den halben Wert der synchronen Drehzahl nicht hochlaufen.

Das asynchrone Drehmoment als Funktion des Schlupfes s kann mit v=2s-1 wie folgt angegeben werden:

M_n= M₁

2(1 +a)

+Iv_xIc)+ 2 a'

(2)

20 Hierin bedeutet mit

K = X_dX_e

+ 1)2

und ₀ = (K - l)/2

v_K=

u = i_K

l/{'² + K\)

(3)

(4)

M_x = U\Kl> \i>² +

² K\ + K² ) ■

K\ + K² ) ■ U + u)

(51

Der Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit von der Drehzahl ist bei einer Maschine ohne Verluste im Läufer fast genau der gleiche, wie es für Sonder-Kurzschlußläufermaschinen mit erhöhtem Schlupf, z. B. Drehmomentengeber, meistens vorgeschrieben wird. Dabei wird bei einem einachsigen Läufer ein kleinerer Maschinentyp gebraucht als bei einer normalen Asynchronmaschine mit erhöhtem Schlupf.

Die fallende Drehmomentcharakteristik, der Wegfall von im Maschineninneren auftretenden Läuferverlusten und die dadurch mögliche gute Modellausnutzung schaffen ideale Voraussetzungen für einfache drehzahlvariable Antriebe. Ausgehend von der Beeinflussung der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik beim herkömmlichen Drehstromschleifringläufer-Motor durch zusätzliche Widerstände im externen Läuferkreis, läßt sich bei der einachsigen Asynchronmaschine gleichermaßen durch Änderung von R_s = /?i + R, ein ähnlicher Effekt erzielen. Die Variation von R₇ erfolgt hierbei zweckmäßigerweise unter Ausnutzung moderner Elektronik-Technik. Bei Antrieben sehr kleiner Leistung kann R? eine Kombination in ihrem Kennlinienfeld durchsteuerbarer Transistoren sein, bei größeren Leistungen eine Kombination von Widerständen, die in Chopper- oder Anschnitt-Technik mehr oder weniger durch Thyristoren oder Triacs in den Ständerkreis zwischen Motorwicklung und Netzzuleitung zugeschaltet werden. Bei unveränderten Maschinen Parametern und konstantem R_s läßt sich aber auch auf anderem Weg eine Beeinflussung der Drehzahl-Drehmoment-Chrakteri-

stik des Antriebes erreichen. Vereinfacht lassen sich die Gleichungen (2) und (5) wie folgt zusammenfassen:

Ul-A

Hierbei ist

Bei einer vorgegebenen Drehzahl n<n_on. damit konstantem Zähler vorstehender Gleichung, ist damit das asynchrone Moment

Wird bei einem drehzahlstellbaren Antrieb z. B. das Lastmoment vervielfacht, so kann die vorgegebene Solldrehzahl η durch eine Verdoppelung der Ständerspeisespannung U, konstant gehalten werden. Diese Anpassung der Ständerspeisespannung an das jeweilige Lastdrehmoment erfolgt am einfachsten mit den bekannten Mitteln der Phasenanschnittsteuerung unter Einsatz antiparalleler Thyristoren oder Triacs. Ähnlich wäre eine Anpassung von U_s durch variable Vorwiderstände R, möglich. Beide Wege, reine Anschnittsteuerung oder auf elektronischem Weg variierte Vorwiderstände, führen zu vergleichbaren Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik-Beeinflussungen. Sie unterscheiden sich vornehmlich in ihrer mathematischen Formulierung und Auswertung. Gemeinsames Kennzeichen ist, daß sich zwischen dem Motor 1 mit asymmetrischem Läufer 2 (R\« ο oder R\ == 0) und dem speisenden Netz eine elektronische Steuerung 3 befindet, die in den Energiefluß zwischen beiden steuernd oder regelnd eingreift (F i g. 2).

Aus dieser theoretischen Darstellung zur Funktionsweise des bekannten einachsigen Induktionsmotors ergibt sich, daß die Drehzahleinstellung durch Verändern der an dem Motor abfallenden Spannung möglich ist. Zur Einstellung der am Motor abfallenden Spannung ist somit ein Drehzahl-Regelkreis erforderlich, dem für die Regelung ein Drehzahl-Istwert zugeführt werden muß. Zur Erfassung des Drehzahl-Istwertes ist es bekannt, einen Tachogenerator an den Motor anzubauen, der eine der Drehzahl proportionale Spannung liefert. Der Tachogenerator stellt an sich schon einen erheblichen Aufwand dar, wozu dann nevh die entsprechende Montage am Motor hinzukommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen drehzahlstellbaren Antrieb der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß mit wenig Aufwand eine genaue Drehzahlregelung möglich ist
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß als Einrichtung zur Einstellung der Speisespannung elektronische über einen Regelkreis angesteuerte Bauelemente verwendet sind und daß zur Ermittlung der Ist-Drehzahl des Antriebs die durch den asymmetrischen Läufer verursachten drehzahlabhängigen Unterschwingungen im Speisestrom unmittelbar herausgefiltert und dem Regelkreis zur Auswertung zugeführt sind.

Bei der Erfindung wird auf die sonst üblicherweise verwendete Tachometermaschine verzichtet.

Die asymmetrische Läuferausführung kann bei Antrieben mit kleinen Schwungmomenten oder hohen Forderungen bezüglich Drehmomentpulsationen zu Schwierigkeiten führen. Hiergegen hilft die Anordnung gemäß F i g. 3. Wenn nämlich die asymmetrischen Läufer von zwei gleich aufgebauten Asynchronmaschinen 5 und 6 auf eine gemeinsame Welle um 90° elektrisch gegeneinander verdreht aufgebracht werden, dann sind die gemeinsamen Ständerströme h in allen drei Phasen symmetrisch, und das am äußeren Wellenende abzunehmende Drehmoment ist ein gleichmäßiges asynchrones Moment. Die fremdfrequenten Ströme fließen nur zwischen den beiden Maschinen, und das pulsierende Moment beansprucht nur das Wellenstück zwischen den beiden Läufern.

Vorstehende Ausführungen wurden anhand von drehstromgespeisten Maschinen erläutert. Es ist bekannt, daß mit Hilfe von Widerständen (Widerstandshilfsphasen-Motor), Kondensatoren (Kondensator-Motor). Induktivitäten oder mittels phasenverschiebender Elektronikschaltungen bei Speisung eines Asynchronmotors vom Einphasen-Netz den 2 oder 3 Wicklungssträngen untereinander phasenverschobene Ströme derart zugeführt werden können, daß ein Drehfeld entsteht. Damit gelten vorstehende Ausführungen grundsätzlich analog auch für drehzahlstellbare Antriebe mit einer anderen Phasenzahl als m = 3. Unter Berücksichtigung der Möglichkeiten der λΤ,-Kompensa tion durch ein geeignetes Xi und damit Drehmomentsteigerung wie auch der Drehmomentcharakteristik-Beeinflussung durch ein angepaßtes R_z innerhalb R, addieren sich zu den Besonderheiten, die der asymmetrische stromverlustfreie Läufer mit sich bringt, noch eine große Varianzbreite von asymmetrischen Beschaltungen der Motorwicklungsstränge, die im Zusammenwirken aller Komponenten eine günstige Anpassung des Drehzahl-Drehmoment-Verhaltens des gesamten Antriebes an die gestellten Antriebsbedingungen ermöglichen.

Hier/u 1 Blatt

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   DrehzabJstellbarer Antrieb mit einem Induktionsmotor, dessen Ständer ein mit Netzfrequenz umlaufendes Drehfeld erzeugt, das auf einen asymmetrischen Läufer mit unterschiedlichen Längs- und Querreaktanzen wirkt, und mit einer in den Zuleitungen vom Netz zum Motor angeordneten Einrichtung zur Einstellung der am Motor anliegenden Speisespannung, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Einstellung der Speisespannung elektronische, über einen Regelkreis angesteuerte Bauelemente verwendet sind und daß zur Ermittlung der Ist-Drehzahl des Antriebs die durch den asymmetrischen Läufer verursachten drehzahlabhängigen Unterschwingungen im Speisestrom unmittelbar herausgefiltert und dem Regelkreis zur Auswertung zugeführt sind.