DE4119901A1 - Induction motor rotary speed control - uses coil reversal according to working programme and loading momentum to align motor currents - Google Patents

Induction motor rotary speed control - uses coil reversal according to working programme and loading momentum to align motor currents

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Abstract

To control the rotary speed of induction motors by frequency converters, in machines and vehicles where torques of different levels are required, the motor currents are aligned by reversing the coil according to the working program and loading momentum. The coil is in more than two grooves, for each pole and phase, with a higher number of rotor grooves than stator grooves. The coil is a chord semi circular winding. To minimise the current, the working motor coil is selectively switched in series or parallel by the power electronics together with different running and acceleration speed ramps. The programmed reverse or switch-on circuit for working also contains the programming for the frequency converter with internal or external programming to give a direct or indirect reverse of the motor working coil according to the current voltage and/or frequency value. The meter, to measure the voltage or current or power, has an outlet to reverse the working coil with a time delay. The unit or reverse for the working coil is an integrated component of the frequency converter. ADVANTAGE - The system reduces the energy consumption, using small motors and frequency converters, which also cuts noise.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff der Patentansprüche.The invention relates to a method and an arrangement according to the preamble of the claims.

Die Drehzahlregelung von Induktionsmotoren, insbesondere Asynchronmotoren, mittels Halbleitern mit Zündcharakteristik ist an sich bekannt. Halbleiter werden dabei zur Erzeugung einer variablen Frequenz aus einem Wechselstromnetz mit einem Gleichstromzwischenkreis oder auch direkt aus einem Gleichstromnetz (z. B. Batterie) benutzt.The speed control of induction motors, in particular Asynchronous motors, using semiconductors with ignition characteristics is known per se. Semiconductors are used for production with a variable frequency from an AC network a DC link or directly from one DC network (e.g. battery) used.

Alle benutzten bzw. bekannten Verfahren gehen davon aus, eine mit steigender Frequenz steigende Spannung im Frequenz­ umrichter zu bilden.All methods used or known assume a voltage rising in frequency with increasing frequency to form converters.

Die bei diesem Umformungsprozeß entstehenden Verluste zwischen Netz und Motor sind von der Höhe des Stromes abhängig, nicht jedoch von der abgegebenen Motorleistung, so daß der Gesamt­ wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen unter 50% gehen kann. (Die jahrelange Propagierung einer verlustlosen Drehzahl­ regelung mittels Frequenzumrichter führte zu einer bis heute unausgereiften Entwicklung.) Die Umformungs- und Übertragungsverluste im Frequenzumrichter, plus Leitungen und Zubehör, können die Höhe der Verluste bei der Umformung von elektrischer Energie in mechanische Kraft im Motor erreichen (Fig. 1).The losses that occur during this conversion process between the network and the motor depend on the magnitude of the current, but not on the motor output, so that the overall efficiency can go below 50% at low speeds. (The years-long propagation of a lossless speed control by means of a frequency converter led to an immature development to this day.) The conversion and transmission losses in the frequency converter, plus cables and accessories, can reach the level of the losses when converting electrical energy into mechanical force in the motor ( Fig. 1).

Es ergibt sich in dem Drehzahlbereich im Abschnitt O bis a ein ungünstiger Arbeitsbereich, der gemäß der Erfindung auf dem Abschnitt O-a′ (Fig. 2) verkleinert werden kann.It results in the speed range in the section O to a an unfavorable working range that can be reduced according to the invention on the section Oa '( Fig. 2).

Besonders nachteilig wirken sich die hohen Verluste (der schlechte Wirkungsgrad) dann aus, wenn dieser Arbeitsbereich auch zeitanteilig überwiegt, wie z. B. bei Bearbeitungsmaschinen, wo die eigentliche Arbeitsleistung im Vorschub erbracht wird und nur der Rücklauf im Eilgang erfolgt, oder z. B. bei Wäschebehandlungsmaschinen, wo die Arbeitszeit beim Waschen (mit niedriger Drehzahl) die Zeiten für Schleudern (hohe Drehzahl) um ein Vielfaches übersteigt. Das gleiche gilt für Elektrofahrzeuge, die im Nahbereich eingesetzt sind, aber auch einen (weniger benutzten) Schnellgang haben sollen.The high losses (the poor efficiency) if this work area also predominates over time, such as B. in processing machines, where the actual work is done in the feed and only the return occurs in rapid traverse, or z. B. at  Laundry machines where the working time when washing (at low speed) the times for spinning (high Speed) many times. The same goes for for electric vehicles that are used in close range, but should also have a (less used) overdrive.

Die bisherigen Ausführungen führten vielfach zu größeren Motoren, größeren Frequenzumrichtern und zu hohen Energie­ verlusten (Kosten), vielfach auch zu einer unangemessenen Lärmbelästigung. Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Mängel zu beheben.The previous versions have often led to larger ones Motors, larger frequency converters and excessive energy losses (costs), often also to an inappropriate Noise pollution. It is the object of the invention to address the shortcomings to fix.

Gelöst wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen der Patent­ ansprüche.The problem is solved according to the characteristics of the patent Expectations.

Die Grundlagen der Erfindung werden beispielhaft anhand von Zeichnungen weiter erläutert.The basics of the invention are exemplified with reference to Drawings explained further.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der abgegebenen Leistung P2 und die dazugehörenden Verluste Pv(mot) = Motor-Verluste, Pv(FU) = Frequenzumrichterverluste, Pv(zu) = zusätzliche Verluste in Drosseln, Leitungen, Kühlung usw. Fig. 1 is a diagram showing the curve of the output power P 2 and the associated loss P v (mot) = Motor-loss P v (FU) = Frequenzumrichterverluste, P v (to) = additional losses in reactors, pipes, cooling etc.

Fig. 2 gibt die gleichen Verlustarten wieder bei umgeschalteter bzw. mit halbem Strom, aber doppelter Spannung betriebener Wicklung. Der gestrichelte Bereich, in dem die abgegebene Leistung geringer als die Verluste ist, ist wesentlich kleiner geworden (a-a′). FIG. 2 shows the same types of loss again when the winding is switched or operated with half the current but twice the voltage. The dashed area in which the output power is less than the losses has become much smaller (aa ′).

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen weit über die Energiesparvorteile hinaus. In fast allen Fällen können kleinere Frequenzumrichter verwendet werden und die notwendige Glättungs- und Entstördrossel wird kleiner. In einigen Fällen kann die separate Kühlung der Frequenzumrichter entfallen. Der Einbauplatz für die Leistungshalbleiter wird kleiner und die Temperaturabhängigkeit geringer. Übertragungs­ leitungen können dünner werden. Das Gewicht für die Leistungs­ elektronik reduziert sich. Schaltschränke können kleiner werden, eventuelle Klimaanlagen entfallen. Der Aktionsradius batteriegetriebener Fahrzeuge vergrößert sich. Die Belastungen der Stromversorgungsnetze mit Einschaltspitzen gehen zurück (besonders störend beim Waschen in Haushalten, Hotels und Krankenhäusern - "EMV"). Die den Betrieb der geregelten Motoren stark einengende Strombegrenzung wird im Hauptarbeitsbereich auf das 2,5- bis 3fache angehoben (bisher etwa 1,2- bis 1,6fache).The advantages of the method according to the invention go far beyond the energy saving benefits. In almost all cases smaller frequency inverters can be used and the necessary smoothing and suppression choke becomes smaller. In In some cases, the separate cooling of the frequency converter omitted. The installation location for the power semiconductors is smaller and the temperature dependence less. Transmission cables can become thinner. The weight for performance electronics are reduced. Control cabinets can be smaller possible air conditioning systems are eliminated. The radius of action battery-powered vehicles are increasing. The burdens of power supply networks with switch-on peaks decrease (particularly annoying when washing in households, hotels and Hospitals - "EMC"). The operation of the regulated motors severely restricting current limitation will be in the main work area increased to 2.5 to 3 times (previously about 1.2 to 1.6 times).

Gegenüber dieser Fülle von Vorteilen ist der Mehraufwand für Schaltgeräte (und/oder Halbleiter) gering, da die Wick­ lungsumschaltung im allgemeinen mit ohnehin vorzunehmenden Schaltvorgängen zusammenfallen kann z. B. von vorwärts in rückwärts (Vorschub-Eilgang), waschen in schleudern, Stadtverkehr (50 km/h) in Landstraße (100 km/h) usw.Compared to this wealth of advantages is the additional effort for switching devices (and / or semiconductors) low because the wick switching in general with those to be carried out anyway Switching operations can coincide e.g. B. from forward in backwards (rapid feed), wash in spin, City traffic (50 km / h) in country road (100 km / h) etc.

Claims (6)

1. Verfahren zur Drehzahlregelung von Induktionsmotoren mittels Frequenzumrichter bei Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen, bei denen innerhalb des Drehzahlbereiches Drehmomente unterschiedlicher Höhe erforderlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Motorströme - aufgrund des Arbeits­ programmes bzw. der Belastungsmomente - eine Angleichung durch Wicklungsumschaltung erfahren, wobei die Wicklung in mehr als zwei Nuten je Pol und Phase untergebracht ist, bei einer Rotornutenzahl, die oberhalb der Ständer­ nutenzahl liegt, wobei die Wicklung als gesehnte Halb­ lochwicklung ausgeführt ist.1. Method for controlling the speed of induction motors by means of frequency converters in machines, systems and vehicles in which torques of different heights are required within the speed range, characterized in that the different motor currents - due to the work program or the load moments - undergo adjustment by winding changeover, wherein the winding is accommodated in more than two slots per pole and phase, with a number of rotor slots, which is above the stator number of slots, the winding being designed as a long half-hole winding. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Minimierung des Stromes wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung der Arbeitswicklung des Motors erfolgt in Verbindung mit unterschiedlichen Hochlauf- bzw. Beschleunigungsrampen durch die vorge­ schaltete Leistungselektronik.2. The method according to claim 1, characterized records that optionally to minimize the current a series or parallel connection of the working winding of the engine takes place in connection with different Run-up or acceleration ramps through the pre switched power electronics. 3. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vor­ stehenden Ansprüche bei einer Maschine, Anlage oder einem Fahrzeug, deren Kraftbedarf entsprechend ihrer Aufgabe unterschiedlich ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der Programm-Um- oder Ein-Schaltung für den Arbeitsablauf auch die Umschaltung der Programmierung des Frequenzumrichters erfolgt. 3. Circuit arrangement according to one or more of the above standing demands on a machine, system or a vehicle whose power requirements correspond to their Task is different, thereby ge indicates that with the program change or Switching on for the workflow including switching programming the frequency converter.   4. Frequenzumrichter in Verbindung mit einer Anordnung ent­ sprechend einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine interne oder externe Programmierung enthält, die ent­ sprechend der Strom-Spannungs- und/oder Frequenzwerte direkt oder indirekt eine Umschaltung der Arbeitswicklung des Motors vornimmt.4. Frequency converter in connection with an arrangement ent speaking one or more of the preceding claims, characterized in that he has a contains internal or external programming that ent speaking of the current-voltage and / or frequency values directly or indirectly switching the work winding of the engine. 5. Spannungs-, Strom- oder Leistungs-Meßeinrichtung in Verbindung mit einer Anordnung entsprechend einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ausgang zur Umschaltung der Arbeitswicklung enthält, wobei eine zeit­ liche Verzögerung wirksam werden kann.5. Voltage, current or power measuring device in Connection with an arrangement corresponding to one or several of the preceding claims, characterized characterized that they have an exit to Switching the work winding contains one time delay can take effect. 6. Frequenzumrichter nach einem oder mehreren der vorstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung oder Umschaltung der Arbeits­ wicklung integrierter Bestandteil des Frequenzumrichters ist.6. Frequency converter according to one or more of the above the claims, characterized net that the establishment or switching of work Integrated component of the frequency converter is.
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