DE3304083C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speisung einer 5-pha­ sigen Drehfeldmaschine, welches die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Üblicherweise sind Drehstrom-Asynchronmaschinen, die über einen Zwischenkreisumrichter gespeist werden, um sie als Regelantrieb einsetzen zu können, 3-phasig ausgebildet. Entsprechend hat auch der motorseitige Stromrichter des Zwischenkreisumrichters eine 3-phasige Ausbildung. Der Stromflußwinkel der vom motor­ seitigen Stromrichter in den Drehstrom-Asynchronmotor einge­ speisten Phasenströme beträgt hierbei 120°el bei einer Stromfluß­ pause von 60°el. Pro Drehfeldumdrehung treten also bei drei Phasen und den beiden Stromrichtungen pro Phase nur sechs Strom­ blöcke oder Pulse auf. Dies hat zur Folge, daß das Stillstands­ moment und das Drehmoment bei niedriger Drehzahl relativ stark pulsiert, wodurch die Einsatzmöglichkeit eines solchen Antriebes und insbesondere sein Stellbereich begrenzt sind.

Um die Drehmomentschwingungen zu verringern und damit den Stell­ bereich nach unten vergrößern und die Drehmomentpendelungen im Stillstand verringern zu können, ist es bei einem Verfahren der eingangs genannten Art bekannt (industrie-elektrik + elek­ tronik 1978, Nr. 18, Seiten 493-495), den maschinenseitigen Stromrichter 10-pulsig und die an ihn angeschlossene Drehstrom- Asynchronmaschine 5-phasig auszubilden. Der motorseitige Strom­ richter erzeugt dann aus dem im Gleichstromzwischenkreis fließen­ den Gleichstrom fünf um je 72°el gegeneinander verschobene Phasenströme mit einer Stromflußdauer von je 72°el und einer Strompause von je 108°el. Der beträchtlichen Verminderung der Drehmomentschwingungen steht hier jedoch als Nachteil ein relativ schlechter Grundschwingungsgehalt der Wicklungsströme von nur 91,9% gegen­ über, der sich auf die erforderliche Maschinenbaugröße auswirkt.

Es ist ferner bekannt (DE-OS 23 48 157), bei einer Umrichter­ schaltung für eine 3-phasige Drehfeldmaschine zur Reduzierung von Zusatzverlusten und Drehmomentschwankungen den Zwischen­ kreisstrom in zwei gleiche Teile aufzuteilen und über zwei 3-phasige, 6-pulsige maschinenseitige Umrichter zu den Phasen­ strömen zusammenzusetzen. Hierdurch wird auch der Grundschwin­ gungsgehalt der Strombelagskurve verbessert. Diese Verbesserung beruht aber nur auf der Verdoppelung der Pulszahl, wozu ein Phasenversatz von 30°el notwendig ist. Nachteilig ist bei dieser bekannten Lösung, daß entweder eine galvanische Trennung in der Maschine oder im speisenden System vorgesehen oder aber Saugdrosseln eingesetzt werden müssen. Die erstgenannte Möglich­ keit erfordert einen hohen Aufwand. Saugdrosseln sind insofern nachteilig, als sie bei einer stromabhängigen Kommutierung mit ihrer Induktivität in Reihe zur Streuinduktivität der Dreh­ feldmaschine liegen und deshalb die Spannungszeitflächen der Kommutierung stark vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Speisung einer 5-phasigen Drehfeldmaschine über einen Zwischen­ kreisumrichter anzugeben, das einen besseren Wicklungsstrom- Grundschwingungsgehalt erreichen läßt, ohne die Drehmomentpul­ sationen zu erhöhen. Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Durch die Verdopplung des Stromflußwinkels von 72° auf 144°el und die Reduzierung der Strompause von 108° auf 36°el läßt sich z. B. bei 5-Eck-Schaltung theoretisch ein Grundschwingungsgehalt der Wicklungsströme von 97,33% erreichen, wo­ durch ein größerer Ausnutzungsgrad der angeschlossenen Drehstrom­ maschine erzielt werden kann. Die Strangspannungen der Drehfeld­ maschine bilden sich, ebenfalls wie bei einer Speisung einer 3-phasigen Maschine aus einem 3-phasigen Stromrichter, sinus­ förmig aus, jedoch kann die Maschinenspannung gegenüber der Um­ richterspeisespannung um das Verhältnis 1 : cos 36° größer ge­ wählt werden.

Vorzugsweise werden die Phasenströme in ihrer Phasenfolge in die fünf aufeinanderfolgenden Strangverbindungsstellen einer Fünfeckwicklung der Drehfeldmaschine eingespeist. Da hierbei eine Überlagerung der beiden Zwischenkreis-Teilströme in den einzelnen Phasen auftritt, erhält man einen feingestuften, sinusähnlichen Strangstrom. In die Fünfeckwicklung werden da­ bei jeweils die beiden Teilströme des Zwischenkreises mit einer Phasenverschiebung von 72°el und einer Stromflußdauer von 144°el eingespeist. Da die Taktfolge 36°el beträgt, bilden zu jedem Zeitpunkt jeweils zwei Eckpunkte der Fünfeckwicklung die beiden Stromeintrittsstellen und zwei andere Eckpunkte die beiden Stromaustrittsstellen. Es sind also gleichzeitig immer vier der fünf Eckpunkte stromführend. Innerhalb einer Dreh­ feldumdrehung bleiben nur zweimal 36°el des Gesamtsystems ohne Nutzung im Vergleich zu zweimal 60°el bei einem 3-Phasensystem. Daher lassen sich auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich höhere Stillstandsmomente erzielen als bei der üb­ lichen 3-phasigen Speisung einer 3-Phasen-Drehfeldmaschine. Außer der Erweiterung des Drehzahlbereiches ergibt sich eine bessere Nutzung der Maschinenbaugröße unter Erzielung eines höheren Wirkungsgrades.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 das Schaltbild des Ständers des in Fig. 1 dar­ gestellten 5-Phasenmotors mit den vom maschinenseitigen Stromrichter zum Motor führenden Leitern,

Fig. 3 ein Diagramm der einzelnen Leiterströme,

Fig. 4 ein Diagramm der Strangspannungen,

Fig. 5 ein Diagramm eines der Strangströme.

Eine 5-phasige Drehstrom-Asynchronmaschine 1 eines Antriebs­ systems, die im Ständer eine als Ganzes mit 2 bezeichnete Fünfeckwicklung aufweist, ist an den maschinenseitigen Strom­ richter 4 eines als Ganzes mit 3 bezeichneten Zwischenkreis­ umrichters mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis angeschlos­ sen. Der maschinenseitige Stromrichter 4 ist selbstgeführt und 10-pulsig ausgebildet, hat also einen 5-phasigen Dreh­ stromausgang. Diese fünf Ausgänge sind über fünf Leiter in ihrer Phasenfolge mit je einer der fünf Ecken der Fünfeck­ wicklung 2 in der Folge dieser Ecken verbunden, wie dies Fig. 2 zeigt.

Der Zwischenkreisumrichter 3 ist, wie Fig. 1 zeigt, über Netz­ drosselspulen 6 an das Drehstromnetz anschließbar. Ein netzge­ führter, steuerbarer, 6-pulsiger Stromrichter erzeugt aus dem dem Netz entnommenen Drehstrom einen eingeprägten Gleichstrom, den der maschinenseitige Stromrichter 4 in zwei gleichgroße Teilströme aufteilt, die bei einer Phasenverschiebung von 72°el einen Stromflußwinkel von 144°el und eine Strompause von 36°el haben. Dementsprechend wird die Fünfeckwicklung 2 über ihre fünf Ecken mit fünf Leiterströmen i _L gespeist, welche nur die Hälf­ te der Größe des Gesamtstromes I _d im Gleichstromzwischenkreis haben, jedoch, wie Fig. 3 zeigt, Stromblöcke von je 144°el mit je einer Strompause von 36°el bilden. Aus Fig. 3 ist auch er­ sichtlich, daß zu jedem Zeitpunkt an zwei Ecken der Fünfeck­ wicklung ein Strom eintritt und an zwei Ecken ein Strom aus­ tritt.

Die an jedem Strang 8 der Fünfeckwicklung 2, also zwischen je zwei benachbarten Ecken auftretende Spannung ist, wie Fig. 4 zeigt, sinusförmig. Die Phasenverschiebung zwischen zwei auf­ einanderfolgenden Strangspannungen beträgt 72°el. Die in den Leitern 5 fließenden Leiterströme überlagern sich in den Strängen 8. Die Strangströme haben deshalb den aus Fig. 5 er­ sichtlichen Verlauf. Sie sind feingestuft und sinusähnlich.

Wie Fig. 1 zeigt, ist auf einen auf die Zündschaltung 10 des netzgeführten Stromrichters 7 wirkenden Regler 11 sowohl die Ausgangsgröße eines Soll-Istwertvergleiches des über einen Gleichrichter 12 erfaßten Maschinenstromes als auch die Aus­ gangsgröße eines Soll-Istwertvergleiches der induzierten Span­ nung der Drehstrom-Asynchronmaschine 1 aufgeschaltet. Die in­ duzierte Maschinenspannung wird mittels eines Gleichrichters 13 erfaßt. Durch diese Regelung des netzgeführten Stromrich­ ters 7 ist gewährleistet, daß sich der der Drehstrom-Asyn­ chronmaschine 1 eingeprägte Strom bis zur Stromgrenze nur auf dem Wert aufbaut, der für die Induktion der vorgewählten Maschinenspannung erforderlich ist. Der netzgeführte Strom­ richter 7 regelt somit unterhalb der Stromgrenze die Motor­ spannung und den Motorstrom.

Dem selbstgeführten, maschinenseitigen Stromrichter 4 wird über eine Zündschaltung 14 und einen Spannungs-Frequenz-Um­ setzer 15 die drehzahlbestimmende Frequenz eines Reglers 16 vorgegeben. Zusätzlich ist der Eingang des Umsetzers 15 mit dem Ausgang eines Wirkstrombewerters 17 verbunden, was eine Stabilisierung des Antriebs bei Lastwechseln bewirkt. Der Regler 16 erhält den Wert der Motorspannung als Eingangsgröße. Die Drehzahl des Motors stellt sich somit der Maschinenspannung proportional ein.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (3)

1. Verfahren zur Speisung einer 5-phasigen Drehfeld­ maschine mit fünf um je 72°el gegeneinander phasenverscho­ benen Phasenströmen über einen Zwischenkreisumrichter mit einem eingeprägten Strom im Gleichstromzwischenkreis und einem 5-phasigen, maschinenseitigen Stromrichter mit Zwangs­ kommutierung, dadurch gekennzeichnet, daß der im Gleichstrom­ zwischenkreis fließende Strom in zwei gleichgroße Teilströme aufgeteilt wird und die vom maschinenseitigen Stromrichter aus diesen beiden Teilströmen gebildeten Phasenströme mit einem Stromflußwinkel von 144°el und einer Strompause von 36°el in die Drehfeldmaschine eingespeist werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenströme in ihrer Phasenfolge in die fünf aufeinander­ folgenden Strangverbindungsstellen einer Fünfeckwicklung der Drehfeldmaschine eingespeist werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenströme in ihrer Phasenfolge in die aufeinanderfolgen­ den Stränge einer 5-Phasen-Sternwicklung der Drehfeldmaschine eingespeist werden.