DE2438230A1

DE2438230A1 - Kommutatorloser drehzahlstellbarer antrieb

Info

Publication number: DE2438230A1
Application number: DE19742438230
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Volkrodt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-08
Filing date: 1974-08-08
Publication date: 1976-02-19
Also published as: JPS5140519A; FR2281669A1; IT1040471B

Description

Kommutatorloser drehzahlstellbarer Antrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen kommutatorlosen drehzahlstellbaren Antrieb mit Speisung aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz. Dabei ist zwischen Motor und Netz ein Umrichter geschaltet, der in der Regel aus einem gesteuerten Gleichrichter, einer Drossel und einem Wechselrichter besteht. Der Wechselrichter speist die Motorwicklung zyklisch mit Gleichstrompulsen. Bei sechspulsigem Betrieb ergibt sich in der Drehstrom-Ständerwicklung des Motors annähernd ein Dreiphasensystem und bei vierpulsigem Betrieb ein Zweiphasensystem. Bei noch geringerer Pulszahl, z.B. zweipulsig, entsteht hingegen kein Drehfeld mehr. Der Motor vermag genauso wenig wie ein einachsiger Einphasenmotor anzulaufen, muß also angeworfen werden.

Umrichter für zweipulsigen Betrieb sind jedoch wegen des kleineren Steuerungsaufwandes merklich günstiger als vier- oder
noch höherpulsige Umrichter. Wird zudem innerhalb des Anwurfbereiches auf einen drehzahlstellbaren Betrieb verzichtet, ergeben sich eine Reihe weiterer Vorteile, die nachstehend noch erläutert werden. Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen kommutatorlosen drehzahlstellbaren Antrieb mit Speisung aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz zu schaffen, der auch einen zweipulsigen Betrieb ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Motorständer neben der Arbeitswicklung eine mit Netzspannung und
-frequenz gespeiste, auf den Käfigläufer wirkende Anlaufwick- · lung zum Anwerfen des Motors vorgesehen ist, die bei vorgegebener drehzahlproportionaler Tachometerspannung abgeschaltet und danach die Arbeitswicklung an einen statischen Umrichter geschaltet wird. Zum Anwurf des Motors bildet zunächst der
Strom vom 50 bis 60-Hz-Netz in der Anlauf wicklung ein auf den im Läufer untergebrachten Anlaufkäfig wirkendes Drehfeld. Da-

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bei induziert eine im Läufer untergebrachte Gleichfelderregung, z.B. Dauermagnete, in der Arbeitswicklung des Ständers und einer ebenfalls im Ständer untergebrachten Meßwicklung eine drehzahlproportionale Spannung. Ist deren vorgegebener Wert erreicht, wird die Anlauf wicklung abgeschaltet und auf Umrichterspeisung der Arbeitswicklung übergegangen.

Der erfindungsgemäße Antrieb hat neben einem einfacheren kostengünstigen Umrichter für zweipulsigen Betrieb noch folgende Vorteile:

Im Fall der Verwendung eines umrichtergespeisten Asynchronmotors bedarf es keiner hochwertigen Tachometermaschine und keiner Schwellwertkompensation der Tacho-Dioden als Drehzahlistwert-Erfassung, da der hierfür kritische untere Drehzahlbereich unberücksichtigt bleiben kann.

Beim Einsatz von Synchronmaschinen wird der Drehzahlistwert unmittelbar aus der Maschine-EMK abgeleitet. Ein Tacho-Anbau ist daher nicht mehr nötig.

Bei einer bereits mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anlaufwicklung hochgelaufenen Synchronmaschine liefert die Maschinen-EMK ein ausreichend präzises Signal über den jeweiligen Läuferstellungswinkel, der ausgewertet zur Steuerung des Wechselrichters dient. Es entfällt damit die Notwendigkeit zum Anbau einer Polradwinkelerfassung z.B. durch Hallgeneratoren.

Da bei Synchronmaschinen weder Tachometer- noch Winkelgeber-Anbauten notwendig sind, ist der Motor hinsichtlich seiner konstruktiven Bemessungen und seiner Servic-Freundlichkeit praktisch gleichwertig mit einem herkömmlichen Drehstromnormmotor.

Der erfindungsgemäße Antrieb ist im folgenden anhand der Zeichnung in einigen Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 3 Schaltbilder der Antriebe.

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Fig. 1 ist das Prinzip-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebes mit einem dauermagneterregten Synchronmotor 1. Im Läufer 2 desselben sind Dauermagnete 3 sowie ein Anlaufkäfig 4 untergebracht. Der Ständer des Motors besitzt neben der üblichen Arbeitswicklung 5 eine netzgespeiste Anlaufwicklung 6 und eine Meßwicklung 7. Mit 8 ist ein zwischen Netz und Motor geschalteter Umrichter bezeichnet.

Ist der Antrieb durch den Hauptschütz 9 an die Netzspannung gelegt, befindet sich zunächst ein Umschaltschütz 10 in der im Schaltbild eingezeichneten Stellung. Die Anlauf wicklung 6 führt Strom und bildet mit dem Anlauf käfig 4 des Läufers ein asynchrones Drehmoment, wodurch der Motor hochläuft. Während dieses Hochlaufens induzieren die im Läufer untergebrachten Dauermagnete 3 in der Arbeitswicklung 5 und der Meßwicklung 7 eine drehzahlproportionale Tachometerspannung. Hat diese von der Meßwicklung 7 gemessene Spannung einen vorgegebenen Wert erreicht, so wird der Schütz 10 umgeschaltet und dadurch die Anlaufwicklung 6 ab- und die Arbeitswicklung 5 an den Umrichter 8 geschaltet. Die Zündwinkel im gesteuerten Gleichrichter 11 sind durch die Drehzahlistwert-Erfassung über die Tachospannung Um vorgesteuert. Der über die Zwischenkreisdrossel 12 fließende Gleichstrom wird im Wechselrichter 13 durch den aus der induzierten Tachospannung U_T ermittelten Polradwinkel e£ phasen- und frequenzrichtig gepulst den Wicklungssträngen der Arbeitswicklung 5 zugeführt. Innerhalb des Drehzahlstellbereiches oberhalb der Übergabedrehzahl erfolgt stufenlose Drehzahlstellung durch die Sollwert-Vorgabe 14.

Um sicherzustellen, daß die meist nur für die geringe Anwurfzeit bemessene Anlauf wicklung 6 thermisch nicht überlastet wird, kann man den Anlauf Vorgang über Wärmewächter, Bi-Metallschalter und Zeitglieder überwachen. Bei blockiertem Hochlauf fällt dann der Hauptschütz 9 ab.

Fig. 2 zejg; das Schaltbild für eine Motorausführung mit einer Dr ehstrom-ünlaufwicklung 15, einer zweipulsig anzusteuernden

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Arbeitswicklung 16 und einer Meßwicklung 7 im Ständer. Alle Wicklungen sind galvanisch voneinander getrennt. Um eine niedrige Übergabedrehzahl - vom Anlauf zum Normalbetrieb - zu erreichen, sind die Anlaufwicklung 15 und der zugehörige Anlaufkäfig 17 im Motorläufer für eine höhere Pulszahl als die Arbeitswicklung 16 zu bemessen. Arbeitswicklung 16 und Meßwicklung 7 haben die gleiche Polzahl. An Stelle einer Drehstrom-Läuferwicklung kann auch eine dreisträngige Wicklung mit Kondensator für Einphasenanschluß oder eine angepaßte Einphasenwicklung mit impedanzbeschalteter Hilfswicklung (R-, C- oder L-HiIfsphase) verwendet werden.

Fig. 3 zeigt eine Ständerwicklungsschaltung, bei der die Anlaufwicklung 18, die Arbeitswicklung 19 und die Meßwicklung ineinander verschachtelt sind, ähnlich wie es bei Spartransformatoren der Fall ist. Während beim Anlauf mit Netzfrequenz die vollen Windungszahlen der zwei Stränge an Netzspannung liegen, erfolgt nach Betätigung des Umschaltschützes 10 ein Auftrennen der Netzspeisung und ein Umschalten auf Wicklungsanzapfungen und Umrichterspeisung.

Bei vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen zur Drehzahlstellung von kommutatorlosen Antrieben werden zweckmäßigerweise bei Drehzahlstellbereichen von ca. 500 bis 5000 1/min. für die Anlauf wicklung Polzahlen ρ ^T 6 und die Arbeitswicklung ρ £ 3 eingesetzt, um bei kleiner Wechselrichter-Pulszahl ein nur gering pulsierendes Drehmoment zu erhalten. Geht es vornehmlich darum, Drehzahlen zu erreichen, die oberhalb der mit 50-Hz-Drehstrommaschlnen realisierbaren 3000 1/min liegen (Beispiel: Zentrifugen, Schleif antriebe,¹ Gebläseantriebe), so sind Anlauf- und Arbeitswicklungen mit ρ = 1 zweckmäßig. Liegt die angestrebte Maximaldrehzahl z.B. unter 10 000 1/min und reicht Betrieb mit konstanter Leistung innerhalb des Drehzahlstellbereiches aus, so kann statt des gesteuerten Gleichrichters 11 ein ungesteuerter eingesetzt werden. Die Anpassung der vom Gleichrichter kommenden Spannung an die in der Arbeitswicklung induzierten Gegenspannung erfolgt mit Hilfe einer

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Steuerung des Phasenwinkels für die Wechselrichter-Taktung, wobei der gemessene Polradwinkel<c die Bezugsstellung liefert.

Bevorzugt geeignet ist die in Fig. 1 dargestellte Schaltung bei Einsatz dauermagneterregter Synchronmaschinen mit kombiniertem Anlaufkäfig. Der Anlaufteil kann aber auch in einem gesonderten Ständer und Läufer untergebracht sein, wobei Anlauf- und Arbeitsmotor z.B. als Doppelmotor ein gemeinsames Gehäuse haben.

Als Variante kommt auch ein normaler Asynchronmotor in Betracht, bei dem der Drehzahlistwert und ein Signal über die relative Lage zwischen Läufer und Ständer entweder über eine kleine polzahlgleiche Anbautacho oder über Hilfsdauermagnete am oder im Läufer gewonnen werden. Hierfür ist der Wechselrichter anders und aufwendiger zu bemessen als bei Einsatz echter Synchronmaschinen. Am Anwurfprinzip gemäß Fig. 1, 2 und 3 ergibt sich aber keine grundsätzliche Änderung.

3 Figuren
8 Ansprüche

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Claims

- 6 Patentansprüche

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M.; Kommutatorloser drehzahlstellbarer Antrieb mit Speisung aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorständer neben der Arbeitswicklung (5,16, 18) eine mit Netzspannung und -frequenz gespeiste, auf den Käfigläufer wirkende Anlaufwicklung (6, 15, 19) zum Anwerfen des Motors vorgesehen ist, die bei vorgegebener drehzahlproportionaler Tachometerspannung abgeschaltet und danach die Arbeitswicklung an einen statischen Umrichter geschaltet wird.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der von einer in dem mit einem Anlaufkäfig (4, 17) versehenen Läufer untergebrachten Gleichfelderregung induzierten drehzahlproportionalen Spannung im Ständer eine Meßwicklung (7, 20) vorgesehen ist.
3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (2) Dauermagnete (3) angeordnet sind.
4. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anlauf-, Arbeits- und Meßwicklung galvanisch voneinander getrennt im Motorständer angeordnet sind.
5. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anlauf-, Arbeits- und Meßwicklung gemeinsame Wicklungsteile haben, deren Auftrennung und Umschaltung nach erfolgtem Hochlauf bei Übergabe auf Umrichterbetrieb mit Hilfe eines UmschaltSchützes (10) erfolgt.
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlauf- und die zugehörige Käfigläuferwicklung in einem gesonderten Ständer- und Läuferpaket vorgesehen und diese mit dem Arbeitsmotor in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

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7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklung als einachsige Wicklung zur Speisung durch einen zweipulsigen Wechselrichter ausgeführt ist.
8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufwicklung durch ein den Anlaufvorgang thermisch oder zeitlich überwachendes Element vor
thermischer Überlastung geschützt ist.

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