DE3034276A1 - Asynchronmaschine - Google Patents

Asynchronmaschine

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DE3034276A1
DE3034276A1 DE19803034276 DE3034276A DE3034276A1 DE 3034276 A1 DE3034276 A1 DE 3034276A1 DE 19803034276 DE19803034276 DE 19803034276 DE 3034276 A DE3034276 A DE 3034276A DE 3034276 A1 DE3034276 A1 DE 3034276A1
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Hans Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Mittelmeyer
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Siemens AG
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H02P3/24Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor by applying dc to the motor

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)

Description

  • Asynchronmas chine
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine, deren Ständerwicklungen aus einem Dreh stromnetz über einen Drehstromsteller gespeist werden, dessen Thyristoren von einem Steuersatz in Abhängigkeit vom Ausgangs signal eines Stromreglers mit Zündimpulsen gesteuert werden, dem ein weiterer Regler überlagert ist, von dessen Ausgangssignal die Führungsgröße für den Stromregler abgeleitet ist. Als überlagerter Regler kann ein Drehzahlregler, ein Drehmomentregler, ein Leistungsregler oder ein Schubkraftregler vorgesehen sein. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf rotierende Asynchronmaschinen, als auch auf asynchrone Linearmotoren.
  • Asynchronmaschinen mit Drehstromsteller werden im untersynchronen Bereich üblicherweise mit einem Gegendrehfeld gebremst. Dabei wird die gesamte aufgenommene elektrische Leistung in Läuferverluste umgesetzt. Die Asynchronmaschine entwickelt eine Bremskraft, die in bestimmten Anwendungsfällen als ungenügend angesehen wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Bremsbetrieb für eine Asynchronmaschine zu schaffen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst: a) Es ist ein Gleichstrombremsbetrieb der Asynchronmaschine vorgesehen, bei dem die Ständerwicklungen dadurch mit Gleichstrom gespeist werden, daß mehrere Thyristoren des Drehstromstellers von einem weiteren Steuersatz in Abhängigkeit vom Ausgangs signal des Stromreglers gesteuert werden, b) im Gleichstrombremsbetrieb wird der überlagerte Regler herausgeschaltet und die Führungsgröße für den Stromregler wird stattdessen vom Ausgangs signal eines Gleichstrombremsreglers abgeleitet, c) die Führungsgröße für den Gleichstrombremsregler wird vorgegeben, d) als Regelgröße für den Gleichstrombremsregler wird die Bremskraft der als Wirbelstrombremse betriebenen Asynchronmaschine verwendet.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ausgangs signal des Gleichstrombremsreglers über einen Funktionsbildner zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie geführt wird und daß das Ausgangssignal des Gleichstrombremsreglers mit einem geschwindigkeitsabhängigen bzw. drehzahlabhängigen Faktor multipliziert wird.
  • Bei gleicher Bremskraft beträgt im Gleichstrombremsbetrieb die aufgenommene elektrische Leitung der Asynchronmaschine nur einen Bruchteil der beim Bremsen mit Gegendrehfeld aufgenommenen elektrischen Leistung.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Gleichstrombremsbetrieb bei einem asynchronen Linearmotor dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Der asynchrone Linearmotor 1 besteht aus einer dreiphasigen, in Stern geschalteten Ständerwicklung 1a und einem Translator 1b, der als Kurzschluß läufer mit erhöhtem elektrischen Widerstand ausgebildet ist. Die Ständerwicklung 1a wird über einen Drehstromsteller 2 mit Stromregelung aus einem Drehstromnetz mit den Phasen L1, L2, L3 gespeist.
  • Um einen Zweiquadrantenbetrieb zu ermögliccn, ist der l)rel1-stromsteller 2 als Umkehrdrehstromsteller ausgebildet und enthälft fünf Stränge mit jeweils zwei antiparallel geschalteten Thyristoren V1, V2 und V3, V4 und V5, V6 und V7, V8 und V9, V10 in der dargestellten Schaltung. Die Beschaltung der Thyristoren ist nicht im einzelnen ausgeführt. Die Thyristoren V1 bis V10 des Drehstromstellers 2 werden je nach der gewählten Betriebsart von einem der Steuersätze 3 oder 4 oder 5a, 5b mit Zündimpulsen gesteuert. Ein Stromregler 6 liefert die Steuerspannung für die Steuersätze 3, 4, 5a, 5b.
  • Unter der Betriebsart "Fahren" wird das Beschleunigen in Fahrtrichtung I oder in der entgegengesetzten Fahrtrichtung n verstanden. In der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung I" ist der sechspuisige Steuersatz 3 in Betrieb und steuert die Ventile V5 bis V10 des Drehstromstellers 2. In der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung II" ist der sechspulsige Steuersatz 4 in Betrieb und steuert die'Ventile V1 bis V4 und V7, V8.
  • Die Betriebsart "Bremsen" bedeutet Verzögern mit einem Gegendrehfeld in Fahrtrichtung I oder in Fahrtrichtung II.
  • Der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld ist der inverse Betrieb zum Fahrbetrieb. Die Betriebsart Bremsen in Fahrtrichtung 1" entspricht daher steuerungsmäßig der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung II". Die Betriebsart "Bremsen in Fahrtrichtung II" entspricht steuerungsmäßig der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung I". Entsprechend erfolgt die Ansteuerung. der Ventile des Drehstromstellers 2 über einen der. Steuersätze 3 oder 4.
  • Im Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld entwickelt der asynchrone Linearmotor eine ungenügende Bremskraft. Die aufgenommene elektrische Leistung wird zusätzlich zur Bewegungsenergie in Wärmeverlusto umgewandelt. Der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld ist daher nur bei kleinen Geschwindigkeiten sinnvoll.
  • Erfindungsgemäß ist daher ein Gleichstrombremsbetrieb vorgesehen, bei dem der Linearmotor mit Gleichstrom erregt und nach dem Prinzip der Wirbelstrombremse betrieben wird. Beim Gleichstrombremsbetrieb beträgt die Bremsleistung ein Mehrfaches der aufgenommenen elektrischen Leistung. Im Gleichstrombremsbetrieb steuern die beiden zweipulsigen Steuersätze 5a, 5b die Thyristoren V2, V4, V8, V9 derart, daß eine zweipulsige Brückenschaltung entsteht und zwei Phasen der Ständerwicklung la des asynchronen Linearmotors 1 von Gleichstrom durchflossen werden. Die Gleichstrombremse wird vorzugsweise in einem Geschwindigkeitsbereich eingesetzt, der von der vollen Synchrongeschwindigkeit bis herunter zu etwa 10t der Synchrongeschwindigkeit reicht. Bei noch kleineren Geschwindigkeiten wird der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld gewählt.
  • Die Steuerung der einzelnen Regler und Steuersätze in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart erfolgt durch eine Kommandostufe 30. Von den komplexen Funktionen der Kommandostufe 30 werden im folgenden nur-diejenigen Funktionen betrachtet, die für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung sind. Der Aufbau der Kommandostufe 30 ist nicht im einzelnen dargestellt.
  • Ebenso sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit der zeichnerisch^n Darstellung nur die Verbindungsleitungen der in der Betriebsart "Gleichstrombremse" wirksamen Steuersätze 5a, 5b mit den Thyristoren V1, V4 und V8, V9 des Drehstromstellers dargestellt. Die Kontakte der Umschalteinrichtungen 8a, 8b sind in der Lage gezeichnet, die sie in der Betriebsart "Gleichstrombremse" einnehmen.
  • Die Funktion der Regelung des asynchronen Linearmotors in den Betriebsarten "Fahren" und Bremsen" wird nachstehend kurz erläutert, um den Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gleichstrombremsbetrieb aufzuzeigen.
  • In den Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" befinden sich die Kontakte der von der Kommandostufe 30 gesteuerten Umschalteinrichtungen 8a, 8b in der nicht dargestellten Lage. Die Kommandostufe 30 bestimmt auch, welcher der beiden Steuersätze 3 oder 4 in Betrieb ist.
  • Die übrigen Steuersätze sind gesperrt.
  • Dem asynchronen Linearmotor ist eine Schubkraftregelung mit unterlagerter Stromregelung und Strombegrenzung zugeordnet. Die Schubkraftregelung beruht auf einem festen Zusammenhang zwischen Luftspaltleistung und Schubkraft und bewirkt eine Regelung der Luftspaltleistung. Die Regelstrecke ist der unterlagerte Stromregelkreis. Eine derartige Regelung istbeispielsweise bekannt aus der DE-OS 22 39 897.
  • An einer Einstellvorrichtung 7 wird die Führungsgröße. F* für die gewünschte Schubkraft vorgegeben und über den Kontakt der Umschalteinrichtung 8a dem Differenzverstärker 9 zugeführt. Dem Differenzverstärker 9 wird ferner die Regelgröße F für die Schubkraft zugeführt, die in einer Recheneinrichtung 10 aus Meßwerten für die Strangströme von einer Strommeßwandleranordnung 16 und aus Meßwerten für die Phasenspannungen aus einer Spannungsmeßwandieranordnung 17 gewonnen werden. Der Berechnung der Schubkraft F als Regelgröße liegt die Überlegung zugrunde, daß die aufgenommene Leistung des Linearmotors und die Schubkraft zueinander proportional sind, wenn die Ständerverluste berücksichtigt werden. Die-aufgenommene Leistung ist eine Wirkleistung und kann durch eine dreiphasige Messung von Strömen und Spannungen ermittelt werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die aufgenommene Leistung kann auch nach der Zweiwattmetermethode aus Strömen und Spannungen zweier Phasen ermittelt werden. Die Ständerkupferverluste sind vom Ständerstrom-und vom Ständerwiderstand abhängig und können aus dem Ständerstrom ermittelt werden. Die Ständereisenverluste sind spannungsabhängig und können aus der Motorspannung ermittelt werden. Weitere Verluste, wie Oberschwingungsverluste, Stromverdrängungsverluste, - Randfeldverluste und Erwärmungsverluste spielen demgegenüber eine untergeordnete Rolle und können pauschal berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, die Schubkraft F als Regelgröße unmittelbar zu messen, beispielsweise durch eine Kraftmeßdose, wie dies in der DE-OS 27 36 829 beschrieben ist.
  • Die im Differenzverstärker 9 aus der Regelgröße F und der Führungsgröße F* der Schubkraft gebildete Regeldifferenz wird einem Schubkraftregler 11 mit integralem Verhalten zugeführt. Das Ausgangssignal des Schubkraftreglers 11 ist eine vorzeichenbehaftete wirkleistungsproportionale Größe und kann daher nicht unmittelbar als Führungsgröße für den unterlagerten Stromregler 6 verwendet werden, da dessen Regelgröße i eine scheinstromproportionale Größe ist. Das Ausgangssignal des Schubkraftreglers 11 wird daher -in einem Betragsbildner 12 gleichgerichtet und über einen Funktionsbildner 13 zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie geführt. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners 13 wird in einem Multiplizierer 14 mit einer geschwindigkeitsabhängigen Größe A multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 14 stellt die Führungsgröße i* für den Stromregler dar. Die Führungsgröße i* wird in einem Differenzverstärker 15 mit der Regelgröße i verglichen. Der Stromregler 6 bildet die Steuerspannung für die Steuersätze 3 oder 4, je nach der gewählten Betriebsart. Als Stromregler 6 ist vorzugsweise ein adaptiver I-Regler vorgesehen.
  • Bei der Umschaltung auf die Betriebsart "Gleichstrombremse werden die Kontakte der Schalteinrichtungen 8a und 8b in die dargestellte Lage gebracht und somit die Schubkraftregelung herausgeschaltet. Die Steuersätze 3 und 4 werden gesperrt. Die Steuersätze 5aj 5b werden freigegeben. Die Führungsgröße F* für die Schubkraft wird als Führungsgröße für die Gleichstrombremsregelung verwendet und einem Differenzverstärker 18 zugeführt. Als Regelgröße Fb wird die errechnete Bremskraft des wirbelstrongebremsten cmotors Lineat verwendet. Die Bremskraft einer Wirbelstrombremse ist der Geschwindigkeit und dem Quadrat des resultierenden Luftspaltflusses proportional. Der Luftspaltfluß wird mit einer Flußmeßeinrichtung 19 erfaßt. Als Flußmeßeinrichtung können beispielsweise einige Windungen dünnen Drahtes um jeden Pol des Linearmotors vorgesehen sein, die jede Flußänderung als Spannung erfassen. Die der Fluß änderung proportionale Spannung wird einem Integrator zugeführt, der aus einem Operationsverstärker 20 mit einem Kondensator 21 in der Rückführung besteht. Dem Kondensator 21 ist ein elektronischer Schalter 22 parallel geschaltet. Der Integrator 20, 21 wird in den Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" durch entsprechende Ansteuerung des elektronischen Schalters 22 von der Kommandostufe gesperrt und in der Betriebsart Gleichstrombremse" freigegeben. Damit sind die Anfangsbedingungen für die Flußmessung definiert.
  • Das Ausgangssignal des Integrators 20, 21, das dem Luftspaltfluß proportional ist, wird in einem Multiplizierer 24 quadriert und in einem.weiteren Multiplizierer 25 mit der Geschwindigkeit v des Translators 1b des Linearmotors 1 multipliziert. Die Geschwindigkeit v des Translators kann beispielsweise von einem Impulsgeber erfaßt werden. Das Ausgangs signal des Multiplizierers 25 stellt die errechnete Bremskraft der Wirbelstrombremse als Regelgröße Fb für die Gleichstrombremsregelung dar.
  • Die Regeldifferenz aus der Führungsgröße F* und der in der beschriebenen Weise ermittelten Regelgröße Fb wird einem Gleichstrombremsregler 26 mit. integralem Verhalten zugeführt. Dem Gleichstrombremsregler 26 ist ein Funktionsbildner 27 zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie nachgeschaltet. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners 27 wird in einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 28 mit einem geschwindigkeitsabhängigen Faktor multipliziert.
  • Der geschwindigkeitsabhängige Faktor wird nach Maßgabe einer Kennlinie ermittelt, die in einem Festwertspeicher 29 eingeschrieben ist. Der Festwertspeicher 29 wird von einem digitalisierten Geschwindigkeitsmeßwert adressiert. Das Ausgangssignal des Festwertspeichers 29 ist der Wert einer Kennlinie am digitalisierten Geschwindigkeitsmeßwert. Das digitale Ausgangssignal des Festwertspeichers 29 wird dem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 28 zugeführt und in eine analoge Größe umgesetzt. Der Digital-Analog-Wandler 28 multipliziert das Ausgangssignal des Funktionsbildners 27 mit einer vom Festwertspeicher 29 vorgegebenen geschwindigkeitsabhängigen Verstärkung. Als multiplizierender Digital-Analog-Wandler 28 kann beispielsweise der Baustein AD 7530 und als Festwertspeicher 29 das PROM IM 5610 der Siemens AG verwendet werden.
  • Das Ausgangssignal des multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 28 stellt im Gleichstrombremsbetrieb die Führungsgröße i* für den Stromregler 6 dar und wird seinem vorgeschalteten Differenzverstärker 15 über den Kontakt der Umschalteinrichtung 8b zugeführt. Der Stromregler 6 bildet die Steuer spannung für die beiden zweipulsigen Steuersätze 5a und 5b, die im Gleichstrombremsbetrieb freigegeben sind.
  • Die Multiplikatoren 14 und 25 können in ähnlicher Weise aus einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler und einem Festwertspeicher aufgebaut sein.
  • Der -findungsgemäße Gleichstrombremsbetrieb kann nicht nur bei asynchronen Linearmotoren, sondern auch bei rotierenden Asynchronmaschinen durchgeführt werden. Der Gleichstrombremsbetrieb ist bei Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer und bei Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer anwendbar. Bei Asynchronmaschinen mit Kurzschluß läufer muß der elektrische Widerstand des Kurzschlußkäfigs zur Vergrößerung der Bremskraft höher als üblich bemessen sein. Der Aufbau der Schaltungwird bei einer Asynchronmaschine in gleicher Weise vorgenommen, jedoch wird anstelle der Geschwindigkeit die Drehzahl verwendet.
  • Zusammenfassung Asynchronmaschine Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrombremsbetrieb für eine Asynchronmaschine (1). Die Ständerwicklungen (1a) werden aus einem Drehstromnetz (L1, L2, L3) über einen Drehstromsteller(2) gespeist, dem ein Steuersatz (3 bzw. 4) und ein Stromregler (6) zugeordnet sind.
  • Dem Stromregler (6) ist ein weiterer Regler(11) überlagert, beispielsweise ein Momentenregler, ein Leistungsregler oder ein Schubkraftregler. Im Gleichstrombremsbetrieb werden die Ständerwicklungen (1a) der Asynchronmaschine (1) mit Gleichstrom gespeist, wobei mehrere Thyristoren (V1, V4, V8, V9) des Drehstromstellers (2) von einem weiteren Steuersatz (5a, 5b) in einer Gleichrichterschaltung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Stromreglers (6) gesteuert werden. Im Gleichstrombremsbetrieb wird der überlagerte Regler (11) herausgeschaltet und die Führungsgröße (i*) für den Stromregler (6) wird stattdessen vom Ausgangssignal eines Gleichstrombremsreglers (26) abgeleitet. Die Führungsgröße (F*) für den Gleichstrombremsregler (26) wird vorgegeben, während die Regelgröße (Fb) aus der Bremskraft der als Wirbelstrombremse betriebenen Asynchronmaschine ermittelt wird. Der erfindungsgemäße Gleichstrombremsbetrieb ist sowohl für rotierende Asynchronmaschinen als auch für asynchrone Linearmotoren vorgesehen.
  • (einzige FIG)

Claims (4)

  1. Patentansprüche t Asynchronmaschine, deren Ständerwicklungen (1a) aus einem Drehstromnetz (L1, L2, L3) über einen Drehstromsteller (2) gespeist-werden, dessen Thyristoren (V1 bis V10) von einem Steuersatz (3 bzw. 4) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Stromreglers (6) mit Zündimpulsen gesteuert werden, dem ein weiterer Regler (11) überlagert ist, von dessen Ausgangssignal die FührUngsgröße (i*) für den Stromregler (6) abgeleitet ist, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale: a) Es ist ein Gleichstrombremsbetrieb der Asynchronmaschine (1) vorgesehen, bei dem die Standerwicklungen (la) dadurch mit Gleichstrom gespeist werden, daß mehrere Thyristoren (V1, V4, V8, V9) des Drehstromstellers (2) von einem weiteren Steuersatz (5a, 5b) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Stromreglers (6) gesteuert werden, b) im Gleichstrombremsbetrieb wird der überlagerte Regler (11) herausgeschaltet und die Führungsgröße (i*) für den Stromregler (6) wird stattdessen vom Ausgangssignal eines Gleichstrombremsregers (26) abgeleitet, c) die Führungsgröße (F*) für den Gleichstrombremsregler (26) wird vorgegeben, d) als Regelgröße (Fb) für den Gleichstrombremsregler (26) wird die Bremskraft der als Wirbelstrombremse betriebenen Asynchronmaschine verwendet.
  2. 2. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ausgangssignal des Gleichstrombremsreglers (26) über einen Funktionsbildner (27) zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie geführt wird.
  3. 3. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ausgangssignal des Gleichstrombremsreglers (26) mit einem geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängigen Faktor multipliziert (28, 29) wird.
  4. 4. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Ermittlung der Bremskraft (Fb) der als Wirbelstrombrems.betriebenen Asynchronmaschine Änderungen des Luftspaltflusses gemessen (19) und zum Luftspaltfluß integriert (20, 21) werden, daß der Luftspaltfluß quadriert (24) wird und mit einem Meßwert (v) für die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Asynchronmaschine multipliziert wird.
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