NL1017309C2 - Aandrijfinrichting. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Aandrijfinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een aandri jfinrichting samengesteld uit een frequentieomvormer voor het gelijktijdig aansturen 5 van ten minste twee parallel geschakelde meerfaseninductiemotoren, welke motoren ieder via een aparte overbrenging eenzelfde belasting aandrijven.

Bij elektrische aandrijfinrichtingen is het uit efficiëntieoogpunt zeer gebruikelijk om twee of meer inductiemotoren parallel met een enkele frequentieomvormer te verbinden. De twee of meer 10 inductiemotoren drijven dan ieder via een aparte overbrenging eenzelfde belasting aan, welke belasting bijvoorbeeld een hijstrommel kan zijn.

Gebruikelijke overbrengingen, bijvoorbeeld tandwielkasten, kunnen een aanzienlijke speling bezitten, hetgeen resulteert in een mogelijk snelheidsverschil tussen de inductiemotoren.

15 Het streven is om tussen de inductiemotoren een gelijk verdeelde belasting te verkrijgen, zodat de frequentieomvormer effectief één motor "voelt". De frequentieomvormer wordt daarbij gewoonlijk qua snelheid of positie gestuurd, waarbij bijvoorbeeld op één van de motoren een sensor op de as is aangebracht.

20 In de praktijk is het bekend dat inductiemotoren met bepaalde eigenschappen bij bepaalde frequenties instabiel worden indien zij aan een spanningsbron zijn gekoppeld. In het bijzonder inductiemotoren met een lage slip (hoog rendement), een hoog koppel en kleine massa-traagheid (hoge versnellingen) zijn spanningsinstabiel. Het is gebleken 25 dat in aandri jfinrichtingen met dergelijke parallel geschakelde inductiemotoren bij bepaalde snelheden (frequenties) nadelige elektrische oscillatiesignalen worden gegenereerd, terwijl de aandrijfinrichting bij alle andere snelheden wel goed te bedrijven is. Deze oscillaties groeien langzaam aan wanneer de motoren gedurende langere tijd (enkele tientallen 30 perioden) op nagenoeg eenzelfde toerental worden bedreven. Het frequentie-gebied waarover de oscillatiesignalen optreden verbreedt zich hierbij.

Het nadeel van het optreden van dergelijke elektrische oscillatiesignalen is dat de aandrijving niet over een aaneengesloten snelheidsbereik kan worden bedreven, omdat er verschillen ontstaan tussen 35 de door de motoren opgenomen stromen, die weer resulteren in snelheids- 1017309 2 verschillen. Deze verschil stromen worden niet door de enkele frequentie-omvormer 11 gevoel d11.

De uitvinding beoogt bovengenoemde bezwaren te ondervangen. De aandri jfinrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt 5 door tussen de frequentieomvormer en de inductiemotoren geschakelde impedantiemiddelen voor het in bedrijf tussen de motoren bewerkstelligen van een verhoogde differentiële impedantie indien de door de motoren opgenomen stromen ongelijk aan elkaar zijn.

Hiermee wordt bij het toepassen van verschillende 10 spanningsinstabiele inductiemotoren, welke bij de huidige aandrijf-inrichtingen eenzelfde belasting verschillend kunnen aandrijven, een compensatiemogelijkheid geschapen waarbij gecorrigeerd wordt voor deze aandrijfverschiHen tussen de verschillende inductiemotoren.

De impedantiemiddelen zijn zodanig geconstrueerd dat 15 wanneer de door de motoren opgenomen stromen gelijk aan elkaar zijn, de impedantiemiddelen een verwaarloosbare invloed op de werking van de aandri jfinrichting hebben. Wanneer daarentegen de door de motoren opgenomen stromen ongelijk aan elkaar zijn, zullen de impedantiemiddelen een verhoogde differentiële impedantie tussen de motoren bewerkstelligen 20 waardoor een optredende verschil stroom wordt gereduceerd.

In een uitvoeringsvorm van de aandri jfinrichting volgens de uitvinding omvatten de impedantiemiddelen magnetisch gekoppelde different!aal spoel en welke zodanig zijn geschakeld, dat in bedrijf door een differentiaal spoel telkens stromen van twee verschillende motoren 25 vloeien. Door deze different!aal spoel en wordt bij ongelijke stromen door de motoren de differentiële inductiviteit tussen de motoren verhoogd, met als resultaat dat de resonantiefrequentie neerwaarts wordt verschoven naar een punt waarop de oscillatie en bijgevolg de verschil stroom c.q. het snel heidsverschil afneemt.

30 In een weer verdere uitvoeringsvorm van de aandrijf- inrichting volgens de uitvinding maken de differentiaal spoel en deel uit van ten minste één meerfasentransformator. Door gebruik te maken van een transformatorkern kan de differentiële inductiviteit tussen de motoren aanzienlijk groter worden in vergelijking tot different! aal spoel en zonder 35 aanvullende magnetische koppeling met magnetisch materiaal.

1017309 3

Bij een uitvoeringsvorm van de aandrijfinrichting volgens de uitvinding wordt deze gekenmerkt doordat de inrichting een driefasentransformator omvat, met een kern waarop voor elke fase een different!aal spoel is aangebracht.

5 Opgemerkt wordt dat een different!aal spoel kan worden gerealiseerd door spoel paren welke magnetisch in dezelfde richting zijn gewikkeld echter waarbij de motorstromen de spoelen van het spoel paar tegengesteld doorlopen, danwel door gebruik te maken van magnetisch tegengesteld gewikkelde spoelen.

10 Bij een andere uitvoeringsvorm van de aandri jfinrichting wordt deze gekenmerkt doordat aan de motoraansluitzi jde van de transformator tussen de spoelen van een spoel paar een dempweerstand is aangebracht, welke de verschilenergie dissipeert. Dergelijke dempweerstanden maken het mogelijk om de benodigde afmetingen van de transformatorkern aanzienlijk 15 te reduceren.

Meer in het bijzonder kan op de kern van de transformator ten minste één dempingskring zijn aangebracht, welke meer in het bijzonder een gesloten stroomkring vormt, omvattende een om de kern gewikkelde additionele spoel voorzien van een serieweerstand.

20 Daarbij kan de additionele spoel ten opzichte van een different!aal spoel een hoge wikkel verhouding bezitten, waardoor dempweerstanden van in de praktijk gebruikelijke waarden kunnen worden toegepast.

Bij een andere uitvoeringsvorm is de aandri jfinrichting 25 volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat elke differentiaal spoel van een dempingskring is voorzien.

In een nog weer verdere uitvoeringsvorm van de aandri jfinrichting volgens de uitvinding is de kern van de transformator magnetisch verliesgevend geconstrueerd. Dat wil zeggen, in plaats van het toepassen 30 van een gebruikelijke transformator met zo gering mogelijke magnetische verl iezen, voorziet de uitvinding in een bewust verl lesgevend geconstrueerde transformator. In plaats van of aanvullend op het toepassen van dempweerstanden voor het dissiperen van de verschilenergie, wordt in deze uitvoeringsvorm van de uitvinding de verschilenergie in de transformator-35 kern gedissipeerd.

1017309 4

In een op deze gedachten gebaseerde uitvoeringsvorm van de aandrijfinrichting volgens de uitvinding is de kern geheel of gedeeltelijk van massief magnetisch materiaal zoals ijzer geconstrueerd. De verschilenergie wordt in deze uitvoeringsvorm gedissipeerd in wervel-5 stroomverliezen welke in de massieve ijzeren kern optreden als gevolg van een geïnduceerde verschilspanning in een differentiaal spoel.

In het algemeen geldt dat het principe van de uitvinding toepasbaar is op elke aandri jfinrichting met N inductiemotoren en N-l meerfasentransformatoren.

10 De uitvinding heeft voorts betrekking op een transformator en een samenstel van differentiaal spoel en voor toepassing in een aandrijfinrichting volgens de uitvinding.

De uitvinding zal nu aan de hand van een tekening nader worden toegelicht, welke tekening achtereenvolgens toont: 15 Figuur IA een eerste uitvoeringsvorm van een aandri jf inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 1B een tweede uitvoeringsvorm van een aandri jfinrichting volgens de uitvinding;

Figuur 1C een derde uitvoeringsvorm van een aandrijf-20 inrichting volgens de uitvinding; en

Figuren 2, 3 en 4 verdere uitvoeringsvormen van een aandrijfinrichting volgens de uitvinding.

Om reden van eenvoud en duidelijkheid worden in de figuren identieke onderdelen met overeenkomstige verwijzingscijfers 25 aangeduid.

De in de figuur IA getoonde uitvoeringsvorm van een aandrijfinrichting volgens de uitvinding omvat een frequentieomvormer 1 welke in bedrijf gelijktijdig en bij deze uitvoeringsvorm twee driefasen-inductiemotoren Mj en M2 aanstuurt, welke parallel zijn geschakeld. Hoewel 30 niet in de figuren weergegeven drijven de inductiemotoren ^ en elk via een aparte overbrenging eenzelfde belasting aan.

Het is - zoals hiervoor reeds geschetst - bekend dat inductiemotoren met bepaalde eigenschappen een instabiele werking vertonen bij bepaalde frequenties wanneer zij aan een spanningsbron zijn gekoppeld. 35 Wanneer twee spanningsinstabiele motoren door middel van één enkele frequentieomvormer worden aangedreven, stuurt de 1017309 5 frequentieomvormer In bedrijf de totale door de motoren Mj en M2 opgenomen stromen, dat wil zeggen ij plus i2, waarin ij de door de motor M2 opgenomen stroom representeert en i2 de door de motor M2 opgenomen stroom voorstelt. Daarentegen wordt een mogelijke verschiloscillatiemodus, dat wil zeggen 5 ij - i2 niet door de frequent ieomvormer "gevoeld". Een dergelijke verschil-oscillatiemodus kan ontstaan doordat de frequentieomvormer door de inductiemotoren wordt gezien als een stroombron, waarmee in wezen een stabiel gedrag op alle snelheden mogelijk is, maar dat de parallel geschakelde inducti emotoren elkaar daarentegen zien als een spanningsbron, 10 welke op bepaalde frequenties aanleiding kan geven tot oscillaties, zoals in de inleiding aangeduid.

Het gevolg van deze oscillaties is dat de verschillende inductiemotoren op verschillende snelheden werken, waardoor de algehele aandrijf inrichting niet meer over een aaneengesloten breed snel hei dsbereik 15 kan worden bedreven.

Overeenkomstig de uitvinding zijn tussen de frequentie-omvormer 1 erf de verschillende inductiemotoren Mj, M2 impedantiemiddelen in de vorm van een meerfasentransformator 2 geplaatst, welke hier als een driefasentransformator is uitgevoerd. De transformator 2 is voorzien van 20 een kern 3 waarop voor elke fase, hier derhalve drie, een spoel paar is aangebracht. De drie spoelparen zijn hier met verwijzingscijfers 4, 5 en 6 aangeduid.

Elk spoel paar 4, 5 en 6 bezit een tweetal spoelen 4a, 4b respectievelijk 5a, 5b respectievelijk 6a, 6b die bij de in de figuur IA 25 getoonde uitvoeringsvorm werkzaam zijn aangesloten als differentiaal-spoel.

Wanneer de stroom door de beide spoelen van elk spoel-paar gelijk is, wordt er geen magnetische flux in de transformator kern opgebouwd en wordt er bijgevolg geen resulterende spanning in de spoelen 30 geïnduceerd, zodat het normale bedrijf van de aandrijfinrichting niet wordt beïnvloed.

Indien in bedrijf de door de motoren Mj en M2 opgenomen stromen ij respectievelijk i2 ongelijk aan elkaar zijn, als gevolg van een oscillatiemodus, wordt in het betreffende spoel paar 4, 5 of 6 een verschil-35 spanning geïnduceerd. Door de motorveldwikkelingen wordt dit gezien als het aanbrengen c.q. verhogen van een differentiële impedantie tussen de »1017 309 6 motoren. In dit geval voornamelijk een differentiële inductiviteit welke compenseert voor de ongelijke stromen door neerwaartse verschuiving van de resonantiefrequentie naar een punt waarop oscillatie niet meer mogelijk is danwel minder krachtig c.q. invloedrijk is.

5 Met de aldus verkregen opbouw van de aandri jfinrichting volgens de onderhavige uitvinding wordt een niet-gelijke aansturing en derhalve het met een verschillende snelheid bedrijven van de inductie-motoren en M2 voorkomen.

Een aanvullende compensatie wordt bereikt met de 10 uitvoeringsvorm zoals getoond in de figuur 1B. Hiertoe is aan de motoraansluitzijde van de transformator 2 tussen de spoelen 4a, 4b respectievelijk 5a, 5b respectievelijk 6a, 6b van elk spoelpaar 4-6 een dempingsweerstand Rd opgenomen, welke in de figuur 1B is aangeduid met het referentiecijfer 4c, 5c respectievelijk 6c.

15 Nog een andere uitvoeringsvorm van een aandrijf- inrichting volgens de uitvinding, waarmee een aanvullende compensatie kan worden verkregen wordt vertoond in de figuur 1C. Hiertoe is op de kern van de transformator 2 ten minste één dempingskring aangebracht. Hoewel één dempingskring, bestaande uit een additionele spoel L en een 20 serieweerstand R reeds volstaat, is in deze uitvoeringsvorm elk spoelpaar 4 - 6 van een dergelijke dempingskring 4d - 6d voorzien. Zoals figuur 1C toont is elke dempingskring 4d - 6d een gesloten stroomkring samengesteld uit een om de kern 3 gewikkelde additionele spoel 4e - 6e en een serieweerstand 4f - 6f.

25 Door tussen elke additionele spoel 4e - 6e en de bijbehorende spoelen 4a, 4b respectievelijk 5a, 5b respectievelijk 6a, 6b een hoge wikkel verhouding te kiezen kan de bijbehorende serieweerstand 4f - 6f als een weerstand van in de praktijk gebruikelijke waarden worden uitgevoerd. Bij transformatorafmetingen van enkele kVA voor het 30 stabiliseren van motoren van enkele 100 kW kan bijvoorbeeld worden volstaan met dempweerstanden van minder dan 100 W vermogend!ssipatie.

In plaats van of in aansluiting op het gebruik van dempweerstanden, waarmee de transformatorafmetingen aanzienlijk kunnen worden gereduceerd, dat wil zeggen dat de zelfinductiewaarde L van de 35 differentiaalspoelen kleiner kan zijn, is het in een weer verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding ook mogelijk om te werken met 1017309 • * 7 transformatorkernen welke verliesgevend zijn geconstrueerd. Dit in tegenstelling tot gebruikelijke transformatoren, welke een laminaire opbouw hebben teneinde de wervelstroomverliezen in de transformatorkern te reduceren. Bij de transformatorkern volgens de uitvinding wordt de 5 verschil energie dan in de transformatorkern gedissipeerd.

In een uitvoeringsvorm kan de kern geheel of gedeeltelijk uit magnetisch massief materiaal bestaan, zoals ijzer of dergelijke. Energiedissipatie wordt hierbij veroorzaakt door de in de kern optredende wervelstroomverli ezen.

10 Hoewel in het voorgaande impedantiemiddelen in de vorm van op een transformatorkern gewikkelde different! aal spoel en zijn getoond en besproken, zal een deskundige begrijpen dat de transformatorkern niet per sé noodzakelijk is. Onder meer afhankelijk van het vermogen van de motoren kan de uitvinding ook worden gerealiseerd met different! aal spoel en 15 welke slechts magnetisch door lucht of slechts onderling door aanvullend magnetisch materiaal magnetisch met elkaar zijn gekoppeld. In de figuren IA, 1B en 1C kan bijvoorbeeld gedacht worden aan drie afzonderlijke different!aal spoel paren, waarbij elk spoelpaar op een eigen magnetische kern, zoals een staafkern, is gewikkeld. Uiteraard zijn ook andere 20 impedantiemiddelen toepasbaar welke in afhankelijkheid van een verschil-modus tussen de motorveldwikkelingsstromen een verhoogde differentiële impedantie kunnen bewerkstelligen.

Het principe van de uitvinding is algemeen toepasbaar bij een aandrijfinrichting omvattende N inductiemotoren en N-l meerfasen-25 transformatoren. Terwijl de figuren IA - 1C een aandri jfinrichting volgens de uitvinding met N = 2 tonen wordt in de figuur 2 een andere uitvoeringsvorm van een aandri jfinrichting volgens de uitvinding weergegeven waarbij drie inductiemotoren Mx, M2 respectievelijk M3 alsmede twee driefasen-transformatoren 2 en V (Tx en T2) worden toegepast (N = 3). Voor het 30 overige zijn de overeenkomstige onderdelen met identieke verwijzingscijfers aangeduid waarbij bij deze uitvoeringsvorm als aanvullende compensatie-middelen bij elk spoelpaar 4 - 6 en 4’ - 6’ dempingskringen 4d - 6d respectievelijk 4d’ - 6d’ worden toegepast.

Figuur 3 toont een weer verdere uitvoeringsvorm van 35 de aandri jfinrichting volgens de uitvinding, waarbij drie inductiemotoren 1017309 8 M1} M2 en M3 door middel van twee driefasentransformatoren 2 en 2’ (Tx en T2) op een enkele frequentieomvormer 1 zijn aangesloten.

In tegenstelling tot de in figuur 2 getoonde aandrijf-inrichting, kenmerkt de uitvoeringsvorm van figuur 3 zich door een 5 asymmetrische implementatie, waarbij de motoren M2 en M3 via een enkele differentiaal transformator T2 zijn gekoppeld en de motor Mx en de different!aal transformator T2 samen op de different! aal transformator Tx zijn aangesloten.

Figuur 4 toont een asymmetrische implementatie van drie 10 differentiaal transformatoren 2, 2’, 2" (Tj, T2, T3), waarop vier parallelle inductiemotoren M15 M2, M3 en M4 zijn aangesloten. Deze asymmetrische configuratie kan op soortgelijke wijze voor meer dan vier motoren worden uitgebreid, hetgeen voor een deskundige aan de hand van de voorgaande beschrijving zonder inventieve inzichten kan worden uitgevoerd.

1017309

Claims (15)

1. Aandrijfinrichting samengesteld uit een frequent!e-omvormer voor het gelijktijdig aansturen van ten minste twee parallel 5 geschakelde meerfaseninductiemotoren, welke motoren ieder via een aparte overbrenging eenzelfde belasting aandrijven, gekenmerkt door tussen de frequent!eomvormer en de inductiemotoren geschakelde impedantiemiddelen voor het in bedrijf tussen de motoren bewerkstelligen van een verhoogde differentiële impedantie indien de door de motoren opgenomen stromen 10 ongelijk aan elkaar zijn.

2. Aandrijfinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de impedantiemiddelen magnetisch gekoppelde differentiaal spoel en omvatten zodanig geschakeld, dat in bedrijf door een differentiaal spoel telkens stromen van verschillende motoren vloeien.

3. Aandrijfinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de differentiaal spoel en deel uitmaken van ten minste één meerfasen-transformator.

4. Aandrijfinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting ten minste één driefasentransformator omvat, met een 20 kern waarop voor elke fase een different!aal spoel is aangebracht.

5. Aandrijfinrichting volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat aan de motoraansluitzijde tussen de spoelen van een differentiaal spoel een dempweerstand is aangebracht.

6. Aandrijfinrichting volgens conclusie 3, 4 of 5, met 25 het kenmerk, dat op de kern van de transformator ten minste één dempings- kring is aangebracht.

7. Aandrijfinrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een dempingskring een gesloten stroomkring vormt omvattende een om de kern gewikkelde additionele spoel voorzien van een serieweerstand.

8. Aandrijfinrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de additionele spoel ten opzichte van de spoelen van een differentiaal-spoel een hoge wikkelverhouding bezit.

9. Aandrijfinrichting volgens conclusie 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat elke different! aal spoel van een dempingskring is voorzien. 1017309 <

10. Aandrijfinrichting volgens één of meer van de conclusies 3 tot en met 9, met het kenmerk, dat de kern van de transformator magnetisch verliesgevend is geconstrueerd.

11. Aandrijfinrichting volgens conclusie 10, met het 5 kenmerk, dat de kern geheel of gedeeltelijk van massief magnetisch materiaal zoals ijzer is geconstrueerd.

12. Aandri jfinrichting volgens één of meer van de concl usie 3 tot en met 11, met het kenmerk, dat de aandrijfinrichting N inductie-motoren en N-l meerfasentransformatoren omvat.

13. Impedantiemiddelen voor toepassing in een aandrijf- inrichting zoals omschreven in één of meer van de voorgaande conclusies.

14. Transformator voor toepassing in een aandri jfinrichting zoals omschreven in één of meer van de conclusies 3 tot en met 12.

15. Samenstel van differentiaal spoelen voor toepassing in 15 een aandrijfinrichting volgens conclusie 2 of 5. 1017309