DE649594C - Verfahren zur lastunabhaengigen Drehzahleinstellung bei Drehstromasynchronmotoren - Google Patents

Description

Die Aufgabe der Drehzahlregelung von Motoren wird bei Drehstrom vielfach durch Kollektormotoren gelöst, sofern die Forderung gestellt, ist, die Regelung stetig und mit möglichst geringen Verlusten durchzuführen und sofern andererseits Unabhängigkeit der Drehzahl von der Last verlangt ist. Die Drehstormkollektormotoren haben jedoch besonders in rauhen Betrieben den Nachteil, daß sie gegenüber den normalen Asynchronmotoren eine wesentlich höhere Wartung infolge des Kollektors und der großen Bürstenzahl benötigen. In vielen Fällen, z. B. bei Fahrantrieben von Baggern und ähnlichen Geräten, bei Trockentrommelantrieben usw., wurden bisher normale Drehstromasynchronmotoren mit Widerstandsregelung im Läufer verwendet, da bei den äußerst geringen Erzeugungskosten des Stromes im Braunkohlenbergbau die Verluste durch Widerstandsregulierung keine nennenswerte Rolle spielen, insbesondere dann, wenn durch Verwendung von polumschaltbaren Motoren die Regelung verbessert wird. Man nahm in solchen Fällen die Nachregulierung der Antriebe mit in Kauf, welche durch Lastschwankungen bedingt wird, falls eine einmal eingestellte Drehzahl gehalten werden soll. Es ergibt sich jedoch mehr und mehr die Forderung, zur Erleichterung des Betriebes die Regulierung von der Last unabhängig zu gestalten und auch stetiger vorzunehmen. Bei größeren Baggergeräten mit zwei oder drei Fahrmotoren ist es weiter wünschenswert, kleine und handliche Steuerapparaturen zu erhalten, die bequem auf den meist engen Führerständen untergebracht werden können und die auch ein Steuern der Antriebe von zwei Stellen aus ermöglichen.

Es ist nun ferner bereits bekannt, zur lastunabhängigen Drehzahleinstellung von Drehstromasynchronmotoren in Verbindung mit einer Regelung der Frequenz des zugeführten Stromes eine Widerstandsregelung im Läuferkreis vorzunehmen, und zwar wird bei diesem bekannten Verfahren zunächst eine bestimmte Umlaufgeschwindigkeit des Ständerfeldes durch Änderung der Periodenzahl eingestellt und dann der gesamte Läuferwiderstand nacheinander kurzgeschlossen. Darauf wird unter gleichzeitiger Wiedervorschaltung des Läuferwiderstandes die Um-'laufgeschwindigkeit des Ständerfeldes auf einen solchen Wert erhöht, daß die neue Drehzahl ein wenig über der alten liegt usw. Diese Anordnung erfordert einen regelbaren Generator und stellt sich so recht teuer.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diesen Nachteil, indem sie den umgekehrten Weg ohne Änderung der Periodenzahl"geht. Zunächst wird die Drehzahl durch Widerstandsregelung im Läuferkreis grobstufig von

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder'angegeben worden:

Dipl.-Ing. Carl Schiebeier in'Berlin-Halensee und Dipl.-Ing, Frits Schwender in Berlin.

Hand eingestellt, und dann werden die genauen Geschwindigkeitswerte durch selbsttätige Beeinflussung des Ständerfeldes eingestellt. Sobald auf diese Weise die Höchstgrenze dieser Grunddrehzahlstufe erreicht ist, wird die nächste Widerstandsstufe kurtsfi geschlossen und gleichzeitig die Stärke des Ständerfeldes auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Hierzu ist nur ein verhältnismäßig

ίο kleiner und daher billiger Drehregler, Reguliertransformator o. dgl. notwendig; die Regelung im Ständerkreis erfolgt selbsttätig derart, daß bei einer Abweichung der Istdrehzahl von einer festeingestellten Solldrehzahl die Zwischendrehzahhverte eingestellt und aufrechterhalten werden.

In Abb. ι ist die Wirkungsweise dieser Regelung näher erläutert. Die Kurve α stellt die Drehzahl-Drehmomentkurve eines Dreh-Stromasynchronmotors dar mit vorgeschaltetem Widerstand im Läuferkreis für einen mittleren Kraftfluß. Das Drehmoment des Drehstrommotors ist bekanntlich proportional dem Produkt aus Kraftfluß und Rotorstrom, das Drehmoment ist also Mj =z c · Φ · /Rot., wobei c eine .Konstante ist. Der Rotorstrom wiederum ist proportional der Stillstandsspannung£_o und dem Schlupfs und umgekehrt proportional dem Widerstand R

im Lauferkreis, also: /R₀,. =:

Die Still-

Standsspannung ist proportional dem Fluß,

so daß also:

Nimmt man

den Widerstand R im Rotor als konstant an, so kann -4- zu einer neuen Konstante c₂ zusammengefaßt werden, so daß sich ergibt: /_Rot — c₂ »Φ · s. In die Formel für das Drehmoment eingesetzt, ergibt sich M_d — c · C₂' Φ- · s. Man hat es also in der Hand, durch Veränderung des Kraftflusses bei gleichem Drehmoment den Schlupf zu verkleinern oder zu vergrößern. So stellt beispielsweise in Abb. 1 die Kurve U₁ die Drehzahl-Drehmomentlinie für verminderten Fluß, Kurve O₂ die Drehzahl-Drehmomentlinie für vergrößerten Fluß dar, wobei der Widerstand im Läuferkreis unverändert sei.

Arbeitet nun z. B. der Motor im Belastungspunkt A auf der Kurve α und tritt nun eine Steigerung des Drehmomentbedarfes um den Betrag b auf, so wird der Motor, wenn keine Veränderung des Kraftflusses vorgenommen wird, in seiner Drehzahl bis auf den Punkt A₂ abfallen. Vermindert man jedoch den Schlupf durch Verstärken des Flusses, so kann man erreichen, daß die Charakteristik des Motors der Kurve a₂ entspricht. Der Motor wird jetzt im Punkt C der Kurve a₂ arbeiten, d. h. die Drehzahl ist die gleiche wie j vor der Belastungsänderung. Umgekehrt wird bei einer Belastungsverminderung durch Schwächung des Flusses der Arbeitspunkt ■des Motors von A₁ der Kurve α auf den • Punkt B der Kurve O₁ verschoben, also auch '^An diesem Fall bleibt die Drehzahl unvermindert. ,

Wie Abb. 1 zeigt, kann auch ohne weiteres bei konstantem Moment ohne Veränderung des dem Läufer vorgeschalteten Widerstandes eine Regelung der Drehzahl durch Flußänderung vorgenommen werden, beispielsweise zwischen den Punkten B₁ und C₁.

Bei der Drehzahlregelung gemäß der Erfindung wird also durch Schaltung des Läuferwiderstandes in wenigen Stufen eine Grobeinstellung der Drehzahl erzielt; Zwischendrehzahlen zwischen den einzelnen Läuferstufen werden durch die Flußänderung erreicht. Abb. 2 zeigt dies beispielsweise für zwei Läuferstufen. Die stark ausgezogenen ■ Kurven a, b und c zeigen die Drehzahl-Drehmomentlinien für drei Stufen bei schwächstem Fluß. Die gestrichelten Kurven O₁ und Z)₁ entsprechen den Kurven α und b bei vergrößertem Fluß. Man kann also beispielsweise von dem Betriebspunkt A der Kurve a die Drehzahl durch Flußvergrößerung bis zu dem Betriebspunkt B steigern, wobei der Lauferwiderstand unverändert bleibt. Will man eine weitere Steigerung der Drehzahl erzielen, so schaltet man die nächste Läuferwiderstandsstufe kurz und kann dann wieder innerhalb des Bereiches der Kurve b und b_x durch Flußregulierung eine Drehzahlregelung erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 3 dargestellt. Vor den Ständer des zu regelnden Drehstroniasynchronmotors 1 ist ein Drehregler 2 mit Verstellmotor 3 geschaltet. Mit dem Antriebsmotor 1 ist ein konstant erregter Gleichstromgenerator 4 gekuppelt, dessen Spannung proportional der Drehzahl des Antriebsmotors ist und infolgedessen die Istdrehzahl kennzeichnet. Der Spannung dieses Generators 4 ist die Spannung eines mit konstanter Drehzahl angetriebenen Gleichstromgenerators 5 entgegengeschaltet. Die Spannung dieses Generators 5 wird geregelt durch den Schaltapparat 6, durch welchen gleichzeitig auch Schütze 7 für die Schaltung der Läuferwiderstände des Asynchronmotors betätigt werden. In der ' Verbindungsleitung zwischen den beiden Ankern der Generatoren 4 und 5 Hegt der Anker des Verstellmotors 3. Je nachdem, ob die Spannung des Generators 4 oder 5 überwiegt, wird also durch den Anker des Verstellmotors 3 ein Strom in dem einen oder .120 anderen Sinne fließen, so daß also auch die Verstellung des Drehreglers in dem einen

oder anderen Sinne erfolgt. Der Verstellmotor ist in Ruhe, wenn die Spannung der beiden Generatoren 4 und 5 gleich groß ist. Die Spannung des Generators S, welche wie vorerwähnt geregelt wird, legt die Solldrehzahl fest. Ergibt sich z. B. eine Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl, ist etwa die Istdrehzahl infolge einer Belastungssteigerung geringer als die Solldrehzahl, so wird die Spannung am Generator 4 geringer sein als am Generator 5. Durch den Anker des Verstellmotors 3 fließt dann ein Strom, welcher eine Verstellung des Reglers in dem Sinne herbeiführt, daß eine · Flußverstärkung hervorgerufen wird. Diese Flußverstärkung bewirkt, wie vorher erläutert, eine Drehzahlsteigerung so weit, bis die Spannung des Generators 4 wieder der Spannung des Generators 5 gleich ist, d. h. bis die Istdrehzahl wieder der Solldrehzahl entspricht. Will man die Drehzahl aufwärts öder abwärts regeln, so wird durch entsprechende Verstellung des Reglers 6 die Spannung des Generators 5 erhöht bzw. gesenkt. Es fließt dann durch den Anker des Verstellmotors 3 ein Strom, welcher eine Drehung des Motors und Verstellung des Drehreglers in solchem Sinne bewirkt, daß durch die sich ergebende Flußänderung eine Anpassung der Istdrehzahl des Antriebsmotors an die eingestellte Solldrehzahl erfolgt, d. h. daß die Spannung am Generator4 wieder die gleiche Größe hat wie die Spannung des Generators 5.

/ Beim Übergang von der einen Wider-Standsstufe auf die andere ist im ersten Moment der Drehregler noch so eingestellt, daß der Fluß im Motor seinen Größtwert besitzt. Schaltet man beispielsweise nach Abb. 2 im Betriebspunkt B der Kurve O₁ die nächste Widerstandsstufe kurz, so wird im Augenblick des Umschaltens ein Drehmoment entstehen, welches dem Betriebspunkt C₁ der Kurve &! entspricht (Kurve für starken Fluß). Da außerdem durch den Regler 6 gleichzeitig die Spannung am Generator 5 erhöht wurde gegenüber der Spannung am Generator 4, so wird der Drehregler 2 zunächst noch in der Endstellung, welche dem stärksten Fluß entspricht, verbleiben, da nach vorstehenden Erläuterungen eine höhere Spannung am Generator 5 eine Flußverstärkung durch entsprechende Verstellung des Drehreglers erzeugt. Der Antriebsmotor wird also zunächst hochlaufen entsprechend der Kurve b_u die Spannung am Generator 4 steigert sich infolgedessen und überwiegt schließlich die Spannung am Generator 5. Nunmehr ändert sich die Stromrichtung im Anker des Verstellmotors 3 des Drehreglers, und dieser wird so verstellt, daß jetzt eine Flußverminderung eintritt. Die Verstellung wird so lange erfolgen, bis der Betriebspunkt C der Kurve b erreicht ist, bei welcher Drehzahl die Spannung des Generators 4 wieder der Spannung des Generators 5 entgegengesetzt und gleich groß ist. Will man die Drehmomentsteigerung beim Überschalten von der einen Widerstandsstufe auf die andere \-ermeiden, also von der Kurve U₁ beim Kurzschließen der nächsten Widerstandsstufe unmittelbar auf die Kurve b übergehen, so kann man dies erfindungsgemäß erreichen, dadurch, daß man im Augenblick des Kurzschließens der nächsten Widerstandsstufe durch Umschalten der Primärwicklung des Drehtransformators die Spannung desselben umkehrt, so daß also bei unveränderter Stellung des Drehreglers die Spannung am Ständer des Motors verringert wird und damit auch der Fluß seinen Kleinstwert erhält. Es muß in diesem Falle gleichzeitig auch eine Umpolung der Erregerwicklung- des Verstellmotors 3 des Drehreglers vorgenommen werden, damit der richtige Verstellsinn durch die Spannungsdifferenzen zwischen den Generatoren 4 und 5 .gewährleistet bleibt.

An Stelle des Motorantriebes für den Drehregler - kann selbstverständlich auch eine andere Betätigungsart, z. B. Magnete mit Rastenscheibe, verwendet werden. Ebenso sind auch für die Spannungsregulierung am Ständer andere Reguliereinrichtungen verwendbar. Die Betätigung der Reguliereinrichtung kann auch indirekt über entsprechende Relais vorgenommen werden, welche die Spannung der beiden Generatoren überwachen. Ferner .ist es ohne weiteres möglich, an Stelle des regelbaren Gleichstromgenerators irgendeine andere regelbare Gleichstromquelle, wie z. B. gittergesteuerte Gleichrichter, zu verwenden.

Die Schaltung der einzelnen Widerstandsstufen im Läufer des Antriebsmotors könnte auch abhängig von der Sollspannung durch besondere Schütze vorgenommen werden.

Bei großem Regelbereich ist es zweckmäßig, polumschaltbare Motoren zu verwenden zur Verringerung der Verluste in den Regel widerständen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur lastunabhängigen Drehzahleinstellung bei Drehstromasynchronmotoren durch Ständerfeldbeeinflussung und Läuferwiderstandsregelung, gekennzeichnet durch grobstufige Einstellung der Drehzahl durch Widerstandsregelung im Läuferkreis von Hand und Feineinstellung durch selbsttätige Regelung des Ständerfeldes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die selbsttätige Regelung des Ständerfeldes durch einen Reguliertransformator, Drehregler o. dgl. erfolgt, der bei Abweichung der Istdrehzahl von der eingestellten Solldrehzahl derart verstellt wird, daß bei zu niedriger Drehzahl eine Stärkung des Kraftflusses und damit eine Verminderung des Läuferstromes und bei zu hoher Drehzahl eine

ίο Schwächung des Kraftflusses und eine Vergrößerung des Läuferstromes erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Istdrehzahl der Spannung eines_t vom Arbeitsmotor angetriebenen Gleichstromgenerators (Tachometerdynamo), die Solldrehzahl der Spannung eines zweiten unabhängig einstellbaren mit konstanter Drehzahl laufenden, feldregelbaren Gleichstromgenerators oder einer sonstigen einstellbaren Gleichstromquelle entspricht und die Differenzspannung beider Gleichstromquellen zur Verstellung der Regeleinrichtung benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, »5 dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Ausschaltung einer Läuferwiderstandsstufe der Ständerkraftfluß des Antriebsmotors durch Umschalten an der Reguliereinrichtung auf seinen Mindestwert gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung des grobstufigen Läuferwiderstandes und die Einstellung der Solldrehzahl durch ein gemeinsames Schaltorgan vorgenommen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur grobstufigen Widerstandsregelung Läufer- schütze verwendet werden, die in Abhängigkeit von der der Solldrehzahl entsprechenden Spannung der regelbaren Gleichstromquelle eingeschaltet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltorgane für die Drehzahleinstellung für Fernsteuerung ausgebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen