DE2460639C3 - Drehzahlsteuerbarer Drehstromantrieb - Google Patents

Description

gleiches Drehmoment abgeben. Man erhält ilamit eine gleichmäßige Lastaufteilung auf die F.inzelmoloren, die sich auch bei unterschiedlichen Motordreh/ahlen ohne zusätzliche Regelung ergibt.

Im folgenden wird der erfindungsgemälk Drehstrom- s antrieb beispielhaft anhand der F i g. I bis 3 näher erläutert.

Fig. I zeigt das Schaltbild eines erfiiidungsgemäßen Drehstromantriebs. Dieser Drehstromamricb kann vorzugsweise als Pumpe;» und I.üflerantricb eigesetzt werden. Zwei Asynchronmotoren 1 und 2 sind über Schalter 3 und 4 an die Phasen R, S und T eines Drehstromnetzes angeschlossen. Die Asynchronmotoren I und 2 sind über eine Welle 5 mechanisch η-,!!einander gekuppelt. In Abweichung zum Ausführiingsbcispiel können die Motoren I und 2 auch über ein gemeinsames Getriebe, z. B. einen Zahnkranz der Arbeitsmaschine oder über eine Fahrbahn fest oder mit variablem Drehzahlverhältnis miteinander gekuppelt sein. Bei Antrieben mit nicht konstantem Drehmomentverlauf kann die mechanische Kopplung vollständig linierbleiben und die Motoren können zum getrennten Beirieb von zwei Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Mit dem .Schleifringläufer des Asynchronmotors 1 sind die Drehstromklemmen 6 eines ungesleucrten deichrichters 7 und mit dem Schleifringläufer des Asynchronmotors 2 sind die Drehstromklemmen 8 eines ungesteuerten Gleichrichters 9 verbunden. Die Gleichrichter 7 und 9 sind mit jeweils sechs Dioden 7n bzw. 9;) bis 9/" in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Die beiden Gleichrichter 7 und 9 sind unmittelbar in Reihe geschaltet, d. h. sie sind über ihre Gleichstromklemmen miteinander verbunden.

Die beiden ungesteuerten Gleichrichter 7 und 9 sind mit zwei Wechselrichtern IO und 11 und zwei weiteren, iingesteuerten Gleichrichtern 12 und 1.3 in einer Ringschaltung 30 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind als netzgeführte, gesteuerte Wechselrichter 10 und M Drehstrombrückensehaltungen mit Thyristoren IO.i bis 10/' und 11a bis 11/" vorgesehen. Die beiden ungesteuerten Gleichrichter 12 und 13 sind mit Dioden 12<i bis \2f und 13.7 bis 13/"in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Auch diese beiden Gleichrichter 12 und 13 sind in der Ringschaltung 30 unmittelbar in Reihe geschaltet, d. h. an ihren Gleichstromklemmen mitcinander verbunden. In der Ringschaltung 30 sind die in Reihe geschalteten Gleichrichter 7 und 9 bzw. 12 und 13 und die Wechselrichter 10 und II so angeordnet, daß ein Wechselrichter auf zwei in Reihe geschaltete Gleichrichter folgt und die Wechsel- und Gleichrichter sind an ihren Gleichstromklemmen miteinander verbunden. In die Ringschaltung 30 sind zur Glättung des Gleichstromes zwei Drosseln 14 und 15 so eingefügt, daß die Drosseln entweder an der Anodenseite A oder an der Kathodenseite K der Wechselrichter ίθ und 11 liegen. Die Drosseln 14 und 15 können auch zwischen die Gleichrichter 7 und 9 bzw. 12 und 13 geschaltet sein.

Die Drehstromklemmen 16 des Wechselrichters 11 und die Drehstromklemmen 17 des Wechselrichters 10 sind getrennt einem Drehstromtransformator 18 zügeführt, der über einen Schalter 19 mit dem speisenden Drehstromnetz verbunden ist.

Über einen Schalter 20 sind die Drehstromklemmen 21 des Gleichrichters 12 an die Drehstromklemmen 8 des Gleichrichters 9 und die Drehstromklemmen 22 des Gleichrichters 13 an die Drehstromklemmen 6 des Gleichrichters 7 anzuschließen. Damit sind die Drehstromanschlüsse 6,8,21 und 22 der Gleichrichter 7,9,12 und 15 kreuzweise miteinander über den Schalter 20 /i verbinden oder es sind mit anderen Worten dii Drehstromanschliisse von jeweils zwei Gleichrichten über den Schalter 20 miteinander verknüpft, dii entweder an der Anodenseite Λ oder der Kathodei seite K der Wechselrichter iOund 11 liegen.

Ist der Schalter 20 geöffnet, so wirkt die Ringschal lung 30 als Umrichter mit /.wischenkreis mit eingepräg tem Strom, in dem neben den Gleichrichtern 7 und < auch die Wechselrichter 10 und 11 über die spannungs losen Gleichrichter 12 und 13 in Reihe liegen. Wird de; Schalter 20 geschlossen, so erhält man ein Schaltbild wie es in F i g. 2 gezeigt ist. Fs sind nun zwei Umrichte 23 und 24 mit Gleichslromzwischenkreis paralle geschaltet, wobei der Schleifringläufer jedes Asyn chronmotors 1 und 2 über jeweils einen Gleichnichtei mit jedem der Umrichter 23 und 24 verbunden ist. Dabe wurden infolge der Parallelschaltung von den Dioden 7; bis Tc und 13;/ bis 13c eine neue Gleichrichterbrückca schaltung für den Schleifringläufer des Asynchronmo tors 1 und von den Dioden 7i/bis 7/und 13t/bis 13/"eint neue Gleichrichterbrückenschaltung für den Schleif ringläufer des Asynchronmotors 2 gebildet.

Die Thyristoren der Wechselrichter 10 und 11 erhalten ihre Zündimpulse von einer Steuereinrichtung wie sie für steuerbare Stromrichter üblich ist und wie sit beispielsweise aus der Literaturstelle von G. MoItgen »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren« Siemens AG, 1967, S. 275 und 280, bekannt ist. Diesel Steuereinrichtung wird von einem Regler eine Steuerspannung zugeführt, wie er beispielsweise in der obengenannten Druckschrift der Siemens AG beschrieben ist. Die Steuereinrichtung und der Regler wurden in die Fig. I und 2 nicht eingezeichnet, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Es ist anzumerken, daß in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel, das in F i g. 1 gezeigt ist, die beiden Asynchronmotoren I und 2 oder die beiden Asynchronmotoren 1 und 2 und der Transformator 18 über einen gemeinsamen Schalter an das Drehstromnetz angeschlossen sein können. Außerdem können noch zusätzliche Anlaufwiderstände vorgesehen sein.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Drehstromantriebs anhand der Fig.3 näher erläutert, in der die Gleichspannung Uu_w an einem der Wechselrichter, das Lastmoment M- und das gesamte zulässige Antriebsmoment an den Motorachsen über der Drehzahl (in % der Nenndrehzahl ^aufgetragen ist, Dabei sind M& M_e und Uj_w so normiert, daß die gleichgerichtete Läuferstillstandsspannung und das Nennmoment eines Motors jeweils dem Wert 1 für Uj» undMc/entspricht.

Die Erklärung der Drehzahlsteuerung erfolgt anhand eines Antriebs für einen Lüfter mit quadratischem Momentverlauf. Im Diagramm der Fig.3 ist dabei mit der Kurve 25 die Gleichspannung Udw an einem Wechselrichter, mit der Kurve 26 die Lastkenrilinie M_e=f(n)\xnd mit der Kurve 27 die Momentbegrenzung, d. h. das gesamte zulässige Antriebsmoment gegeben.

Im Diagramm sind drei Betriebsbereiche mit I bis IH bezeichnet. Der Anlaufbereich I reicht vom Stillstand der Asynchronmotoren 1 und 2 bis zur untersten Drehzahl n_u des betriebsmäßigen Drehzahlstellbereiches, der durch die Betriebsbereiche II und FII abgedeckt wird. Im Anfahrbereich I ist nur ein Motor, z. B. der Asynchronmotor I und der Transformator 18 über den jeweiligen Schalter 3 und 19 auf das Drehstromnetz geschaltet. Der Schalter 4 und der

Schalter 20 sind offen.

Die schlupfabhängige Läuferspannung des Asynchronmotors 1 wird durch den Gleichrichter 7 gleichgerichtet. Der gleichgerichteten Läuferspannung wirkt die Summe der Gegenspannungen beider Wechselrichter 10 und 11 entgegen. Die gleichgerichtete Läuferspannung des einen Motors wird auf die beiden Wechselrichter aufgeteilt. Der Asynchronmotor 1 stellt jetzt das gesamte Lastmoment zur Verfügung, während der Asynchronmotor 2 leer läuft. Nimmt man an, daß mit dem Regler der Strom im Zwischenkreis auf 50% des Nennstromes begrenzt wird, so werden vom gesamten Antrieb maximal 0,5 + 0 = 0,5 des Nennmomentes eines Motors an der Welle abgegeben, wie den Kurven 25 und 27 der F i g. 3 zu entnehmen ist. Erreicht der Antrieb die Drehzahl n» so kann der Asynchronmotor 2 zugeschaltet werden und man erreicht den zweiten Betriebszusland II, der dem mittleren Drehzahlbereich zwischen der untersten Drehzahl n_u und etwa der Mitte des gesamten Drehzahlstellbereichs entspricht. In diesem Bereich sind also beide Asynchronmotoren 1 und 2 und der Transformator 18 über die geschlossenen Schalter 3, 4 und 19 an das Drchstromnetz angeschlossen. Der Schalter 20 ist weiterhin geöffnet.

Die schlupfabhängige, gleichgerichtete Läuferspannung beider Asynchronmotoren 1 und 2 wird durch die Reihenschaltung der beiden Gleichrichter 7 und 9 addiert und auf die beiden Wechselrichter 10 und 11 aufgeteilt, die jetzt in der Lage sind, die Gegenspannung für beide Motoren 1 und 2 bereitzustellen, da die gleichgerichtete Schlupfspannung um etwa die Hälfte gesunken ist. Dabei bleiben die Gleichrichter 12 und 13 weiterhin ohne Funktion, da der Schalter 20 geöffnet ist. Jetzt müssen die Asynchronmotoren 1 und 2 gemeinsam das Moment aufbringen, das vor dem Schließen des Schalters 4 vom Asynchronmotor 1 allein aufgebracht wurde. Das Moment des Asynchronmotors 1 halbiert sich also und damit auch sein Läufcrstrom. Der Asynchronmotor 2 führt dabei wegen der Reihenschaltung der Gleichrichter 7 und 9 den gleichen Läufcrstrom wie der Asynchronmotor 1. Setzt man die gleiche Begrenzung des Stromes, wie im Betriebszustand 1 voraus, so wird von dem Gesamtantrieb, el. h. von beiden eingeschalteten Asynchronmotoren 1 und 2 maximal 0,5 + 0,5=1 des Nennmoments eines einzigen Motors abgegeben.

Bei weiterer Erhöhung der Drehzahl nimmt die Schlupfspannung beider Asynchronmotoren 1 und 2 so weit ab, daß jeder der beiden Wechselrichter 10 und 11 in der Lage ist, die Summe der Spannungen beider Motoren zu übernehmen. Nun kann der Schalter 20 geschlossen werden und man erreicht den dritten Betriebszustand III, der dem oberen Drehzahlbereich zwischen der Mitte des Drchzahlstellbereichcs und der synchronen Drehzahl lh entspricht. In diesem Bcreich III werden die Asynchronmotoren mit einer Schaltung betrieben, wie sie F i g. 2 zeigt, in der der Umrichter in zwei parallel arbeitende Hälften aufgeteilt ist. Dadurch ergibt sich eine gleiche Aufteilung der jeweiligen l.üuferströme auf die drelistromscitig zusaniniengcschnlteten Gleichrichter. Beispielsweise verteilt sich der LiUiferstroin des Asynchronmotors 1 auf die beiden Gleichrichter 5 und 7. Die Summe der gleichgerichteten Läuferspaniuingcn beider Motoren 1 und 2 liegt an jedem Wechselrichter und die beiden Umrichter 23 und 24 werden nur vom halben gleichgerichteten Läiiferstrom eines Motors durchflossen. Man erreicht also eine nochmalige, /,weite Halbierung des Stromes im Umrichterteil.

Setzt man wiederum voraus, daß die Strombegrenzung der Begrenzung der Bereiche I und Il entspricht, so ergibt sich damit eine Verdoppelung des zulässigen Läuferstromes von vorher 0,5 auf 1 und damit ein Grenzmoment für den gesamten Antrieb von 2x1=2 des Nennmoments eines Motors.

Die auf diese Weise gegebene Abstufung in der Momentbegrenzung ist besonders geeignet für einen quadratischen Verlauf der Lastkennlinie M_c = f(n), wie sie in Fig.3 eingezeichnet ist. Über die Höhe der Strombegrenzung und die Breite der jeweiligen Drehzahlbereiche 1 bis III kann die Momentbegrenzung 27 der Lastkennlinie 26 angepaßt werden. Bei einer untersynchronen Stromrichterkaskade ohne Umschaltung ist vom Stromrichter die volle Motorleistung zu erbringen. Das bedeutet, daß für zwei Motoren der Stromrichter so auszulegen wäre, daß er 2 Md leisten kann. Bei dem erfindungsgemäßen Drehstromantricb, wie er in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, muß der Stromrichter lediglich eine Leistung von 0,7 der Antriebsleistung eines Motors aufbringen. Der Aufwand für den Stromrichter kann damit wesentlich erniedrigt werden. Vergleicht man den Aufwand einer untersynchroncn, nicht umschaltbaren Stromrichterkaskade für zwei Motoren mit dem erfindungsgemäßen Drehstromantricb bei quadratischer Lastkcnnlinie und einem Drchzahlstcllbereich, wie er in F i g. 3 angegeben ist, so erhält man ein Verhältnis von 0,35 ( = 0,7/2). Gleichermaßen wie der Aufwand für den Umrichter, sinkt auch die Stcuerblindlcistung der Wechselrichter 10 und 11.

Die gleichstromscitigc Reihenschaltung der ungcsteuertcn Gleichrichter erzwingt sowohl im Betriebsbcrcich I und Il nach F i g. 1 als-auch im Betricbsbercich 111 nach F i g. 2 ohne ZusatzmaUnahmcn in den ungcstcucrten Gleichrichtern einen gleichen Gleichstrom und damit auch einen gleichen Läuferstrom für jeden der Asynchronmotoren 1 und 2. Damit erhält man ein gleiches Drehmoment für diese Motoren. Dies gilt auch bei beliebiger Winkellage der Asynchronmotoren 1 und 2 zueinander und auch bei unterschiedlichen Drehzahlen. Damit erhält man eine gleichmäßige Lastaufteilung auf die beiden Finzclmotorcn, die auch bei unterschiedlichen Motordrchzahlen ohne zusätzliche Regelung erreicht wird. Dies gilt sowohl für nicht miteinander gekuppelte als auch mit beliebiger Übersetzung direkt oder über Getriebe mit festem oder variablem Übersetzungsverhältnis miteinander gekuppelten Drehstrommotoren mit Schleifringläufer. Zu erwähnen ist noch, daß bei bestimmter von den Wechselrichtern erzeugter Gegenspannung die Summe der Drehzahl der Uinzelmotoren konstant ist, wobei sich die Drehzahl der Einzclmotoren frei einstellen kann. Mit der Reihenschaltung der Gleichrichter kann man demnach ein elektrisches Differenzial aufbauen und der eifindungsgemäße Drchslromantrieb eignet sich als Fahrwerkan trieb.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit den crfindiingsgemäßen Drehslromanlricb eine umschallba rc, untersynchronc Stromrichterkaskade für mehren Motoren realisiert wurde, die die angegebenen Vorteilt der bekannten timschaltbarcn unlersynchronen Strom richtetkaskaclc besitzt. Durch das Zuschalten eic: zweiten Motors und durch die Umschaltung vot Reihen- auf Parallelbetrieb erfolgt eine zweimalig· Halbierung des Stromes im Umrichterteil, was bcson ders bei Antrieben mit linear oder stärker als linen ansteigender Drchmoment-Dreh/.ahlkennlinie von Bc

deutung ist. Insbesondere das spätere Zuschalten des zweiten Motors ersetzt eine Anlaßeinrichtung mit Widerständen und verhindert die damit verbundenen Schwierigkeiten des Umschaltens vom Widerstands- auf Kaskadenbetrieb. Damit reduziert sich die ßaugröße des gesamten Umrichters, der Drosselspulen und d Transformators bis auf die Hälfte und der Geräteai wand wird trotz zusätzlicher Bauelemente wesentli geringer.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

709 640/:

Claims (1)

1. 24 60 63y

   Patentanspruch:

   Drehzahlsteuerbarer Drehstromuntricb mit einem an ein Drehstromnetz arischultbaren Asynchmnmotor mit Schleifringlrufer, der mit den Drehstromklemmen eines ersten, ungesteuerten Gleichrichters in Brückenschaltung verbunden ist, der mit zwei gesteuerten Wechselrichtern und einem zweiten ungesteuerten Gleichrichter in Brückenschaltung in alternierender Reihenfolge in einer Ringschaltung angeordnet ist, in der die Glek'hstromklemmen aufeinanderfolgender Gleich- und Wechselrichter miteinander verbunden sind, wobei die Drehstromklemmen der Wechselrichter zum Drehstromnetz zurückgeführt und die Drehstromklemmen der beiden Gleichrichter über einen Schalter miteinander zu verbinden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter mit dem ersten Asynchronmotor (I) mechanisch gekuppelter Asynchronmotor (2) mit Schleifringläufer an das Drehstromnetz (R, S, T) anschaltbar ist, dessen Schleifringläufer mit den Drehstromklemmen (8) eines dritten ungesteuerten Gleichrichters (9) in Brückenschaltung verbunden ist, daß der dritte Gleichrichter und ein vierter ungesteuerter Gleichrichter (13) in Brückenschaltung in die Ringschultung (30) eingefügt sind, wobei der dritte Gleichrichter (9) mit dem ersten Gleichrichter (7) und der vierte Gleichrichter (13) mit dem zweiten Gleichrichter (12) in Reihe geschaltet sind und daß über den Schalter (15) die Drehstromklemmen (30) auf der Kathodenseite (K)und die Drehstromklemme (6,22) der beiden Gleichrichter (7, 13), die in der Ringschaltung (30) auf der Anodenseite (A) der beiden Wechselrichter (10, 11) liegen, zu verbinden sind.

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   Die Erfindung betrifft einen drehzahlsteuerbaren Drehstromantrieb mit einem an ein Drehstromnetz anschaltbaren Asynchronmotor mit Schleifringläufer, der mit den Drehstromklemmen eines ersten, ungesteuerten Gleichrichters in Brückenschaltung verbunden ist, der mit zwei gesteuerten Wechselrichtern und einem zweiten, ungesteuerten Gleichrichter in Brückenschaltung in alternierender Reihenfolge in einer Ringschaltung angeordnet ist, in der die Gleichstromklemmen aufeinanderfolgender Gleich- und Wechselrichter miteinander verbunden sind, wobei die Drehstromklemmen der Wechselrichter zum Drehstromnetz zurückgeführt und die Drehstromklemmen der beiden Gleichrichter über einen Schalter miteinander zu verbinden sind.

   Ein solcher Drehstromantrieb ist aus der DT-PS 38 646 bekannt. Mit dieser sogenannten umschaitbaren untersynchronen Stromrichterkaskade erreicht man, verglichen mit einer untersynchronen Stromrichterkaskade, die nicht umschaltbar ist, einen wesentlich geringeren Aufwand im Stromrichterteil und eine verringerte Blindleistungsaufnahme, insbesondere im oberen Drehzahlbereich. Dabei ist im unteren Teil des Drehzahlstellbereiches der Schalter geöffnet und nur ein Gleichrichter an den Schleifringläufer angeschlossen. Die beiden Wechselrichter sind in diesem Betriebszustand über den spannungslosen zweiten Gleichrichter in Reihe geschallet, !m oberen Teil de Drehzahlstellbereiches wird der Schalter gcschlossci und auch der zweite Gleichrichter an den Schleifringlüu fer angeschlossen. Dabei entstehen zwei parallel· Umrichter aus jeweils einer Brückenhülfte beide Gleichrichter und einem Wechselrichter. Solche um schallbare, untersynchrone Stromrichterkuskaden wer den insbesondere zum Antrieb von Pumpen odei Lüftern eingesetzt, bei denen der l.äiiferslrom etwi quadratisch mit der Drehzahl ansteigt. Dabei muß de aus Gleich- und Wechselrichter bestehende Umrichtei bei kleiner Drehzahl und hoher Spannung einei niedrigen Strom und bei großer Drehzahl und niedrigei Spannung einen hohen Strom aufnehmen. Die untersyn chrone Stromrichterkaskade mit umschaltbarem Um richter paßt sich diesem Strom-Spannungsverlauf ir zwei Stufen an.

   Es besteht die Aufgabe, einen Drehstromantrieb dei eingangs genannten Art so zu erweitern, daß /wc Motoren unter Beibehaltung der Vorteile der umschaltbaren untersynchronen Stromrichterkaskade mit gleich mäßiger Lastaufteilung zu betreiben sind.

   Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß ein zweiter, mit dein ersten Asynchronmotor mechanisch gekuppelter Asynchronmotor mit .Schleifläufer an das Drehstromnetz anschaltbar ist, dessen Schleifringläufer mit den Drehstromklemmen eines dritten, ungesteuerten Gleichrichters in Brückenschaltung verbunden ist, daß der dritte Gleichrichter und ein vierter ungesteuerter Gleichrichter in Brückenschaltung in die Ringschaltung eingefügt sind, wobei der dritte Gleichrichter mit dem ersten Gleichrichter und der vierte Gleichrichter mit dem ersten Gleichrichter in Reihe geschaltet sind und daß über den Schalter die Drehstromklemmen der beiden Gleichrichter, die in der Ringschaltung auf der Kathodenseite und die Drehstromklemmen der beiden Gleichrichter, die in der Ringschaltung auf der Anodenseite der beiden Wechselrichter liegen, zu verbinden sind.

   Der erfindungsgemäße Drehstromantrieb kann in drei Bereichen betrieben werden. Damit erreicht man eine zweimalige Halbierung des Stromes im Stromrichterteil und dadurch eine wesentliche Einsparung in der Bemessung des Stromrichters. Im Anlaufbereich wird lediglich einer der Asynchronmotoren eingeschaltet. Die beiden Wechselrichter sind in der Lage, die Gegenspannung für beide Motoren bereitzustellen und der sonst erforderliche Anlasser kann damit entfallen. Erreicht die Drehzahl die untere Grenze des betriebsmäßigen Drehzahlstellbereiches, so wird der zweite Asynchronmotor zugeschaltet. Die beiden Wechselrichter und der dritte und der vierte Gleichrichter sind nun in Reihe geschaltet. Vom Antrieb wird jetzt bei wesentlich geringerer Belastung für den Einzelmotor das gleiche Nennmoment wie bei einem Antrieb mit einem Motor abgegeben. Im oberen Drehzahlbereich wird der Schalter geschlossen. Nun sind zwei Zwischenkreisumrichter parallel geschaltet, wobei jeder Motor über einen Gleichrichter mit dem Zwischenkreis jedes Umrichters verbunden ist. Man erhält damit eine Verdoppelung des zulässigen Läuferstromes und der Drehstromantrieb kann ein Grenzmoment abgeben, das etwa doppelt so groß wie das Nennmoment eines Motors ist. Wesentlich ist dabei für die beiden letztgenannten Betriebsbereiche, daß die ungesteuerten Gleichrichter gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind, woraus ein gleicher Läuferstrom für jeden Einzelmotor resultiert und daher die Motoren an ihrer Welle ein