DE3345272C2

DE3345272C2 - Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten elektrischen Drehfeldmaschine sowie Ankerwicklung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3345272C2
Application number: DE3345272A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Dr.techn. 8500 Nürnberg Auinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1986-12-04
Also published as: US4751448A; DE3345272A1

Abstract

Die ungerade Phasenzahl m = 5 aufweisende Ankerwicklung der Drehfeldmaschine hat m Anschlußpunkte ihrer Wicklungsabschnitte für einen Stromrichter, die so angesteuert werden, daß jeweils (m-1)/2 Stränge im positiven und negativen Sinn durchflutet werden und der restliche kommutierende Strang nach außen in elektrischen Winkelschritten von (τ)/m fortschreitet. Eine höhere Pulszahl und damit gute Rundlaufeigenschaften bei hoher Maschinenausnutzung läßt sich bei Stern- oder Polygonschaltung der Stränge und eine weiter verbesserte optimale Anpassung an die Belastbarkeit unterschiedlichster elektronischer Schaltungselemente durch eine neuartige mehrgängige Polygonschaltung der Stränge erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten elektrischen Drehfeldmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Zeitschrift »elektrische energie-technik« Nr. 6, 25. Jahrgang, 1980, Seiten 277 bis 281 sowie aus der Zeitschrift »industrie-elektrik + elektronic«, 23. Jahrgang 1978, Nr. 18, Seiten 493 bis 495 ist ein Zwischenkreisumrichtcr mit einem fünfsträngigen Asynchronmotor bekannt, bei dem die fünf Stränge der Ankerwicklung in Polygonschaltung (Ringschaltung) miteinander verbunden sind. Bei diesen Ankerwicklungen werden die cinzelnen Stränge nacheinander in elektrischen Winkelabständen zeitlich versetzt stromdurchflossen, so daß die Ankerdurchflutung räumlich in elektrischen Winkelschriften von n/m fortschreitet.

Bei diesen Maschinen sowie einem aus der GB-PS 12 02 836 bekannten rotierenden elektromagnetischen Stellungsanzeiger werden gleichzeitig stets alle der in Reihen-Parallelschaltung verbundenen Spulen stromführend betrieben, wobei bei ungeraden Strangzahlen gleichzeitig stets eine unterschiedliche Zahl von Spulen unterschiedlich (positiv bzw. negativ) erregt wird.

Eine prinzipbedingt nur begrenzte Anpassungsmöglichkeit der Ankerwicklung an die Strom- und Spannungsbeanspruchung der steuerbaren Halbleiter-Schaltelemente eines »elektronischen Kommutators« zur zyklischen Speisung der Stränge, z. B. mit Gleichstrom, ist dabei durch Änderung des Spulendrahtquerschnitts und/oder gegebenenfalls durch Aufteilung der einzelnen Stränge in Parallelpfade gegeben. Insbesondere für zunehmend leistungsstärkere moderne elektronische Bauelemente, wie abschaltbare Thyristoren (GTO), Feldeffekttransistoren (FET), bipolare Leistungstransistoren u. dgl. kann mit diesen Maßnahmen eine bestmögliche Ausnutzung dieser Bauelemente häufig nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Ankerwicklung für bessere Maschinenausnutzung und bessere Rundlaufeigenschaften (hohe Impulszahlen) zu schaffen.

Die Lösung der verfahrensmäßigen Aufgabe gelingt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei eine optimale Maschinenausnutzung durch einen einzigen jeweils kommutierenden, nach außen potentialfrei bleibenden Strang und bessere Rundlaufeigenschaften durch Erhöhung der Zahl der parallelen Strompfade bei gleichzeitiger Erhöhung der Zahl der jeweils stromführenden Anschlußpunkte erreicht wird. Vorteilhafte Ankerw icklungen für das Verfahren nach der Erfindung sind Gegenstände der Ansprüche 5 bis 8.

mi Die m-phasige Ankerwicklung ist über steuerbare elektronische Schaltelemente (elektronischer Kommutator) vielfach mit einer Gleichstromquelle variabler Spannung verbunden, die z. B. der Gleichstromkreis eines Umrichters, eine Gleichstrommaschine, Batterie oder dergleichen sein kann.

Die mit Rücksicht auf eine variable Drehzahl veränderbare Gleichspannung kann dabei auch aus einer Speisequelle mit konstanter Gleichspannung dadurch gebildet werden, daß die die Ankerwicklung speisenden HaIb- ψ ds lehrelemente mit hinreichend hoher Taktfrequenz gesteuert werden (Chopperbelrieb), dall im zeitlichen Mit-

[|, tel eine stufenlose veränderbare Spannung wirksam ist. Der elektronische Kommutator kann auch ein Zweig

|! eines Direklumrichters sein, der eine zyklisch gesteuerte Verbindung der Ankerwicklung mit einer Wcchsel-

i"i spannungsquellc herstellt. Die Betriebsweise der Drehfeldmaschine kann motorisch oder generatorisch sein.

Ausführungsbeispiele für m ä5 ungeradzahlige Stränge von Ankerwicklungen und ihre Potcntialverieilungen für jeweils einen Augenblicks-Schaltzustand sind in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert. Hs /eigen

Fig. 1 den elektronischen Kommutator zur Verbindung der Ankerwicklung mit einer »Gleichstromquelle« in Form einer w-phasigen Brückenschaltung mit steuerbaren llalbleitcrschallelcmenten,

Fig. 2 bis 15 mehrgängige Poly-jonsehaltungen, und zwar die Fig. 2 m = 5, die

Fig. 3 und 4 jeweils m = 7, die

Fig. 5 und 6 jeweils »7 = 9. die

Fig. 7 bis 10 jeweils m = 11 und die

Fig. 11 bis 15 jeweils m = Bsträngige Ankerwicklungen. κι

Bei mehrgängigen Polygonschaltungen schließt sich der Wicklungszug erst nach mindestens zwei Umläufen, so daß sich gegenüber einer bekannten eingängigen Polygonschaltung die Zahl der parallelen Strompfade bei gleichzeitiger Erhöhung der Zahl der jeweils stromführenden Anschlußpunkte vervielfacht.

Die für jeweils einen betrachteten Augenblick stromdurchflossenen Stränge sind an den in entsprechender Polarität slromdurchlässig gesteuerten Anschlußpunkten mit Plus-und Minuszeichen und die Stromrichtungen durch kleine Pfeile gekennzeichnet. Die zugehörigen elektronischen Schalter des Stromrichters nach Fig. 1 sind weggelassen. In den Fig. 2 bis 6 sind alle Stränge als Rechtecke dargestellt, in den übrigen Figuren aus PIaIzgründen mit Ausnahme des nicht stromdurchlässigen Stranges O nur noch die Strangachsen abgebildet. Die großen Pfeile zeigen den räumlich resulticsnden Durchflutungsvektor für den betrachteten Augenblick. Die einzelnen Stränge bzw. ihre Achsen sind entsprechend ihrer elektrischen Phasenlage, die bei ρ = 1 identisch mit 2u

ihrer räumlichen Lage ist, dargestellt. Der elektrische Winkelabstand beträgt —. Da sowohl positive als auch

negative Spulendurchflutungen (Strangdurchfiutungen) möglich sind, beträgt bei ungerader Strangzahl m der elektrische Schrittwinkel für das Weiterschalten der resultierenden Gesamtdurchflutung ©(großer Pfeil) nur die

- IS

Hälfte des elektrischen Winkelabstandes, d. h.— , so daß sich ein entsprechend hochpulsiger Betrieb (Pulszahl

m
2w) mit verbesserten Rundlaufeigenschaften ergibt.

Die zyklische Speisung nach der Erfindung ist so getroffen, daß jeweils zu einem bestimmten Augenblick zwei benachbarte Anschlußpunkte an die Plus- oder Minusklemme und der diesen gegenüberliegende Anschlußpunkt an die Minus- oder Plusklemme geschaltet sind, so daß sich jeweils zwei parallele Strompfade mit jeweils M) l/2(w-1) hintereinander stromdurchflossenen Strängen ergeben, und der verbleibende Strang beidseitig an Plus- oder Minuspotential liegt und somit von der Speisespannung entkoppelt, d. h. stromlos ist. Im nächsten Schaltzustand wird das eine Pluspotential weg-und ein gegenüberliegendes Minuspotential zugeschaltet, so daß

sich der DurchflutungsvektorO jeweils um einen Winkel— verstellt. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch.

m -'5

In der Tabelle sind die in den Fig. 2 bis 15 gezeigten Schaltungen und Anschlußverhältnisse zusammengestellt. Die linke Seite der Tabelle zeigt eine Übersicht über die bei den einzelnen Schaltungen jeweils stromführenden Speisi'klemmen und die sich dabei ergebenden parallelen Strompfade. Bei unveränderter elektromagnetischer Wirkung kann man sich auf diese Weise bei der Wicklungsbemessung an die zulässige Strom- und Spannungsbeanspruchung der verfügbaren elektronischen Bauelemente anpassen. Bezeichnet z. B. U die Spannung und / den Strom eines Wicklungsstranges und Tdie Periodendauer, dann ergeben sich für die einzelnen Schaltungsvarianten die im rechten Tabellenteil zusammengestellten Ventilbeanspruchungen.

Neben den vorzuziehenden Schaltungen mit einer völlig symmetrischen Aufteilung können sich bei einzelnen Varianten (mit Fußnote ) gekennzeichnet in der Tabelle) auch Parallelzweige mit unterschiedlicher Spulen/ahl ergeben.

So enthält die Schaltung nach Fig. 3 zwei Zweige mit jeweils zwei in Reihe liegenden, gegenseitig um -^-

versetzten Strängen und zwei Zweige mit jeweils nur einem Strang. Eine solche Schaltung ist für Maschinen mil sinusähnlichem Luftspalt-Feldverlauf durchaus geeignet, dagegen für Maschinen mit rechteckförmigem Luftspalt-Fcldverlauf wegen unzulässig hoher Ausgleichsströme unvorteilhaft. .jo

Bei Maschinen großer Leistung werden im allgemeinen mehrere parallel arbeitende Wicklungsanordnungen vorgesehen, die zur gleichmäßigen Strombeanspruchung der steuerbaren Schaltelemente anschlußseitig galvanisch getrennt sind. Für diesen Fall können die Grundschaltungen nach den Fig. 2 bis 15 in deckungsgleicher oder spiegclsy mmctrischer bzw. polarsymnietrischer Lage zueinander angeordnet sein, so daß sich z. B. im letztgenannten 1 all 2 m Wicklungssystcme (Wicklungsphasen) ergeben. xs

I ine vollkommen gleichmäßige periodische räumliche Durchflutungsverteilung ergibt sich bei m Nuten Tür jeden Pol, \s cnn jede Nut einem anderen Strang zugeordnet ist. Gegebenenfalls können bei größeren Maschinen auch ι/ Nuten je Pol und Strang vorgesehen werden mit der Nutenzahl N= 2pqm(p = Polpaarzahl) bei Inkaufnahme einer etwas geringeren Ausnutzung (wegen Zonen- und Sehnungsfaktor).

Die Spulcnschriltwcilc wird zweckmäßig nicht oder nur schwach gesehnt ausgeführt mit W » i_n. (,o

Lime Sehnung ist nur bei q = 2 sinnvoll in Verbindung mit einer Schnttverkürzung w - /·,,*=— ■ r,_v mit Spuien-

weite H, Polteilung /,„ Nutteilung r,_v, wobei die Wicklung als ein- oder zweischichtige Spulenwicklung oder als wellen- bzw. sehleifenformige Stabwicklung ausgeführt sein kann. Zur Verringerung der Nutenzahl N können

auch Bruchlockwicklungen vorgesehen sein mit Bruchlochzahlen q'=—, deren Nenner//= — ein ganz- ⁽'⁵

π ι

/uhligcr Teiler / der Polzahl 2p ist, d. h. q' — t.

2 η

Die Spulenanordnung wiederholt sich dann nicht mehr von Pol zu Pol, sondern erst nach η Polteilungen, wobei die Nutenzahl N = q · t ■ m ist.

Die klcinstmögliche Nutenzahl ergibt sich bei q = t =1 mit N_111n, = m. Bei Gan/Iochwicklungen mit Nutenzahlen N = 2 p · q · mergeben sich jeweils t = 2 p phascnglciche Spulen je

Strang, bei Bruchlochwicklungen dagegen nur t = —.

Im Extremfall mit der Mindestnutenzahl N_mln = m ist somit nur eine Spule je Strang vorhanden und die Ankerwicklung besteht, ähnlich wie bei Schenkelpolerregerwicklungen, aus m Einzelpoispulen.

'φ.

Tabelle

Ill	ing/ahl Schaliungs- varianlen nach Kigur	Zahl der slrom- lührenden AnschluHpunklc	Vorhandene Auf teilung Parallel- zweigc x Spulen je Zweig	Spannung zwischen Plus- und Minus- klemmc	Hierzu 3 Blatt Zeichnungen	Ventilslrom	Relative F.insehalt- (Stromflul.i-1 dauer der einzelnen Ventile
5	2	3 + 2 = 5	4 X 1	U	2/	2 5
7	3	3+2 = 5	2 X 2 I 2 X 1 I ^}	2U	2/	2
	4	4 + 3 = 7	6X 1	U	2/
9	5	3 + 2 = 5	4X2	2U	2/	I₇-
	6	5+4 = 9	2X4	U	2/	⁴ 7- 9 ⁷
11	7	3 + 2 = 5	2X3 1 -v 2X2 I ^;	IU	2/	fr
	8	4 + 3 = 7	4X2 I 2X1\| '	*2 J*	2/	— r
	9	5+4 = 9	6 x 1 1 2X2 1 '	2U	2/	4 _r 11
	10	6 + 5 = 11	10 x 1	U	2/	*W^T*
13	U	3 + 2 = 5	4x3	3U	2/
	12	4 + 3 =7	6x2	2U	2/	*ir^T*
	13	5+4 = 9	4X2 1 , 4X11	2ü	2/
	14	6 + 5= 11	8X11 2x2 1	2V	2/	*TT'*
	15	7 + 6= 13	12 x 1	U	2/	6 _T
	) Unsymmetrische Aufteilung der Spulen in den Parallelzweigen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten elektrischen Drehfeldmaschine mit ungerader Phasenzahl m größer als 3, deren verschiedenphasige, fest miteinander galvanisch verbundene Stränge (Wieklungsabschnitte) eine in ihrer zyklischen Folge veränderbare Stromführung aufweisen, so daß die Anker-

durchflutung räumlich in elektrischen Winkeischritten von nJm fortschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig alle m Anschlußpunkte an die Stränge der Ankerwicklung potentialmäßig so angesteuert sind, daß jeweils nur ein einziger Strang als kommutierender Strang nach außen potentialfrci bleibt und die übrigen Stränge gleichzeitig je zur Hälfte im positiven bzw. negativen Sinn durchflutet sind, in

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Stromrichterschaltelemente

mit einer stufenlos veränderbaren Gleichspannungsquelle verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterschaltdemente mit einer Gleichstromquelle verbunden werden, die eine konstante Gleichspannung abgibt, wobei die die Ankerwicklung speisenden Halbleiterschaltelemente mit hinreichend hoher Taktfrequenz derart gesteuert

ι? werden (Chopperbetrieb), daß im zeitlichen Mittel eine stufenlos veränderbare Spannung wirksam ist.

4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Stromrichterschaltelemente den Brückenzweig eines Direkt-Umrichters bilden.

5. Ankerwicklung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge im Sinne einer mehrgängigen Polygonschaltung miteinander galvanisch verbunden sind, bei der sich der Polygonzug in bezug auf die Phasenlage der Spulen erst nach mindestens zwei Umläufen schließt.

6. Ankerwicklung nach Anspruch 5, als Ganzlockwicklung gekennzeichnet durch eine ein- oder zweischichtige Wicklungsausführung mit räumlich verteilten Spulen, wobei jeder Strang 2p phasengleiche Spulen aufweist.

7. Ankerwicklung nach Anspruch 5 als Bruchlochwicklung in ein- oder zweischichtiger Ausführung, gekennzeichnet durch räumlich verteilte Spulen, wobei jeder Strang nur / = 2 p/n phasengleiche Spulen aufweist.

8. Ankerwicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strang in mindestens zwei gleichwertige Abschnitte unterteilt ist, welche anschlußseitig galvanisch voneinander getrennt an jeweils gesonderte Stromrichterschaltelemente angeschlossen sind.