DE3626812C2

DE3626812C2 - Anordnung zur Drehzahlverstellung einer ein- oder mehrphasigen Induktionsmaschine

Info

Publication number: DE3626812C2
Application number: DE3626812A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr Ing Schoerner
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1986-08-08
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2006-08-09
Also published as: DE3626812A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Anordnungen dieser Gattung sind aus der DE-OS 28 56 574 bekannt.

Die von der bekannten Anordnung erzeugten niederfrequenten Spannungen und Ströme, deren erste Harmonische oder Grundschwingungsfrequenz eine gegenüber der Netzfrequenz niedrigere Frequenz hat, weisen einen großen Oberschwingungsgehalt auf, wobei insbesondere die der Netzfrequenz entsprechende Harmonische besonders ausgeprägt ist. Dies ist insofern nachteilig, als es bei Induktionsmaschinen, die wahlweise mit Netzfrequenz oder unter Einsatz der gattungsgemäßen Anordnung mit demgegenüber niedrigerer Frequenz betrieben werden, beim Umschalten insbesondere unter bestimmten Lastbedingungen vorkommen kann, daß sich die Induktionsmaschine nicht auf die von der Anordnung gelieferte Grundschwingungsfrequenz einstellt, sondern mit der der Netzfrequenz entsprechenden ausgeprägten Oberwelle ohne Drehzahländerung weiterläuft und sich die Grundfrequenz lediglich als Vibration an der Maschine bemerkbar macht. Aber auch in Fällen, in denen sich die Induktionsmaschine mit ihrer Drehzahl auf die Grundfrequenz einstellt, ist der starke Oberwellengehalt der von der bekannten Anordnung gelieferten Spannungen und Ströme nachteilig, weil die Oberschwingungen zu Zusatzmomenten führen, die dem erwünschten Moment aus der Grundschwingung entgegenwirken, dieses also herabsetzen.

Demgemäß besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, die gattungsgemäßen Anordnungen dahingehend zu verbessern, daß die von ihnen gelieferten Ströme und Spannungen einen geringeren Oberschwingungsgehalt, insbesondere ein günstigeres Verhältnis der Grundschwingungsamplitude zur Amplitude der der Netzfrequenz entsprechenden Harmonischen, aufweisen.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Maßnahme hat die Wirkung, daß die von der Anordnung gelieferten Stromformen gegenüber den bei der bekannten Anordnung auftretenden erheblich geglättet sind und der Strom zwischen den einzelnen Netzhalbwellen, die zur Schaffung der Grundschwingung von gegenüber der Netzfrequenz niedrigerer Frequenz in den einzelnen Halbwellen der Lastspannung bzw. des Laststromes aneinandergereiht werden, nicht mehr lückt. Das Amplitudenspektrum der von der erfindungsgemäßen Anordnung gelieferten Spannungen und Ströme ist durch ein wesentlich günstigeres Verhältnis der Grundschwingungsamplitude zu den Amplituden der Oberschwingungen, insbesondere derjenigen, die der Netzfrequenz entspricht, gekennzeichnet, und es besteht demgemäß auch unter kritischen Lastbedingungen nicht mehr die Gefahr, daß sich eine Induktionsmaschine nach dem Umschalten von der Netzspannung auf die von der Anordnung gelieferte Spannung nicht auf deren Grundfrequenz einstellt, sondern unter Beibehaltung ihrer Drehzahl mit der Oberwelle weiterläuft, deren Frequenz der Netzfrequenz entspricht. Der geringere Oberwellengehalt und insbesondere die gegenüber der Amplitude der Grundschwingung wesentlich herabgesetzte Amplitude der der Netzfrequenz entsprechenden Oberschwingung sind überdies mit weitaus geringeren, dem Moment aus der Grundschwingung entgegenwirkenden Zusatzmomenten verbunden, so daß das Moment aus der Grundschwingung durch die Oberwellen praktisch nicht mehr in unzulässiger Weise geschwächt wird.

Aus den Literaturstellen Keuter, Tscharn: "Schaltungen von Stellern . . ." in ETZ 1986, H. 5, S. 200-207 und Sauer, Körting: "Wechselstromsteller mit Zwangslöschung" in industrie-elektrik + elektronik, 1975, Nr. 3, S. 25-28 sind geschaltete Freilaufkreise für Wechsel- und Drehstromsteller bekannt, bei denen der Freilauf allerdings unabdingbar ist, weil der Steller zwangsgelöscht wird.

Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Hauptanspruchs.

Gegenüber der bekannten Anordnung, die vorwiegend für den Einsatz beim Antrieb von Induktionsmaschinen mit Netzfrequenz und einer weiteren festen, noch relativ hohen kleineren Frequenz geeignet war, wie dies beispielsweise bei Induktionsmaschinen zum Antrieb von Zentrifugen der Fall ist, eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere, wenn sie gemäß den Ansprüchen 7 bis 9 eingesetzt wird, nunmehr auch für die Anwendung bei Induktionsmaschinen zum Positionieren von Arbeitsmaschinen, wo von der Netzfrequenz auf Speisefrequenzen umgeschaltet werden muß, die nur noch einen sehr kleinen Bruchteil der Netzfrequenz betragen.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Bild 1 eine erfindungsgemäße dreisträngige Anordnung mit Freilauf-Thyristoren ohne den die Zündung der einzelnen Thyristoren bewirkenden Schaltungsteil;

Bild 2 das Ersatzschaltbild für einen Strang der Anordnung nach Bild 1 und den zugehörigen Verlauf der Spannungen und Ströme im Zuge der Aneinanderreihung von hier vier, und zwar positiven Netzhalbperioden zur Schaffung einer positiven Lasthalbperiode von gegenüber der Netzfrequenz herabgesetzter Frequenz;

Bild 3 den Stromverlauf bei der Anordnung nach Bild 2 für Anschnittwinkel α = Null unter der Annahme von U_i = 0;

Bild 4a und Bild 4b den Stromverlauf mit der Stromgrundschwingung und dem durch FOURIER-Analyse gewonnenen Oberschwingungsspektrum;

Bild 5a bis Bild 5c die Lastströme bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit Freilauf-Halbleitern im Vergleich zu den Lastströmen bei einer Anordnung ohne Freilauf- Halbleiter gemäß dem Stande der Technik, jeweils mit Grundschwingung und zugehörigem Oberschwingungsspektrum unter Zugrundelegung unterschiedlicher Anschnittwinkel (Gegenspannung = 0); und

Bild 6a bis Bild 6c den Einfluß unterschiedlicher Anschnittwinkel α₁ und α₂ für die Haupt- und Freilaufthyristoren auf die Laststromform bei der erfindungsgemäßen Anordnung.

In Bild 1 der Zeichnung ist schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung wiedergegeben, wobei auf die Darstellung der zur Zündung der einzelnen, hier als Thyristoren ausgeführten Freilauf-Halbleiter und Halbleiter des Drehstromstellers verzichtet wurde, weil diese Schaltungsteile dem Fachmann im Prinzip geläufig sind und ihre zur Steuerung der erfindungsgemäßen Anordnung nötige Funktionsweise sich aus den in der Zeichnung dargestellten und nachstehend beschriebenen Strom- und Spannungsverläufen ergibt.

Die in Bild 1 dargestellte Anordnung weist drei in Stern geschaltete Stränge auf, wobei, wie dies auch bei der bekannten, eingangs erörterten Anordnung der Fall ist, in jeden Strang untereinander gleiche Teile des Drehstromstellers eingefügt sind, die jeweils aus zwei antiparallel geschalteten Hauptthyristoren T1_p und T1_n bestehen, die zu der jeweiligen Maschinenwicklung W mit Induktivität L und Ohmschem Widerstand R, in der im Betriebe gewöhnlich auch eine Gegenspannung u_i erzeugt wird, in Serie liegen. Zu den einzelnen Maschinenwicklungen W liegen jeweils zueinander antiparallel geschaltete Freilauf-Thyristoren parallel.

Bild 2 zeigt das Ersatzschaltbild für einen der drei Stränge der Anordnung nach Bild 1 und, daneben, den prinzipiellen Spannungs- und Stromverlauf bei Aneinanderreihung von mehreren, hier vier positiven Spannungs-Halbwellen der Netzspannung zur Erzielung einer Last-Halbperiode von niedrigerer Frequenz, wobei jeweils nur die aneinandergereihten positiven Netzhalbwellen und die zugehörige positive Last-Halbperiode wiedergegeben sind. Es genügt, die einphasige Schaltung nach Bild 2 für den Strom- und Spannungsverlauf in Betracht zu ziehen, da die einzelnen Stränge untereinander symmetrisch sind und in der bei Drehstromsystemen üblichen Weise zusammenwirken.

Die positive bzw. negative Halbwelle der Spannung an der Last wird durch Aneinanderreihen von n - gegebenenfalls angeschnittenen - Halbwellen der Netzspannung gebildet. Der Strom stellt sich dann nach Maßgabe des Ohmschen Widerstandes R und der Induktivität L der Maschinenwicklung, der in diese induzierten Gegenspannung U_i und dem Zündwinkel α ein, mit dem die einzelnen Thyristoren gezündet werden. Gegen Ende der Halbperiode muß der Strom abgebaut werden. Dazu wird der Freilauf-Thyristor T2 nicht mehr gezündet. Die Netzspannung bleibt so lange stehen, bis der Strom (und damit der Hauptthyristor T1) verlöscht ist.

Die in den Bildern 3 und 4a wiedergegebene Form des Maschinenstroms wurde auf der Basis der dort vermerkten Parameter errechnet und daraus mittels FOURIER-Analyse das in Bild 4b dargestellte Oberschwingungsspektrum mittels eines Rechenprogramms ermittelt. Für die Rechnung wurde von einer über die Halbperiode konstanten ("rechteckförmigen") Gegenspannung U_i ausgegangen.

Bild 3 zeigt den Stromverlauf für α =0, U_i = 0. Nach Ablauf von 9 Netzhalbperioden wird T2 nicht mehr gezündet. Der Stromabbau findet in der 10. Netzhalbperiode statt. Nach einer Pause bis zum Ende der Netzhalbperiode schließt sich die negative Halbperiode der Last an. Die Grundschwingungsfrequenz beträgt

Bei größeren Werten von ωT verlöscht der Strom möglicherweise erst in der 2n + 2g-ten Halbperiode (g = 0, 1, 2, . . .) bei negativer Netzspannung. Die nächste Halbperiode der Last kann sich erst nach der folgenden positiven Netzhalbperiode anschließen. Das Frequenzverhältnis ergibt sich zu

Nach dem Umschaltpunkt verlöscht der Strom innerhalb des "Löschwinkels" ωt₂ = β.

Gemäß Bild 3 ergibt sich β für ωT = 5 und α = 0 beispielsweise zu 125°, so daß der Strom in der 2n-ten Netzhalbperiode verlöscht.

FOURIER-Analyse

Die Spannungs- und Stromformen können nach FOURIER analysiert werden. In den Bildern 4a und 4b ist die Stromform noch einmal zusammen mit der jeweiligen Stromgrundschwingung und dem Oberschwingungsspektrum dargestellt.

Für eine einphasige Schaltung gemäß einem Ersatzschaltbild ähnlich demjenigen nach Bild 2, jedoch ohne Freilauf-Halbleiter- Anordnungen wurden die Stromformen ebenfalls berechnet. Das Ergebnis ist in den Bildern 5a bis 5c im Vergleich mit den Ergebnissen gemäß den Bildern 4a und 4b wiedergegeben. Diese vergleichende Wiedergabe zeigt besonders deutlich die mit der Erfindung gegenüber dem Stande der Technik erzielten Vorteile.

Es ist ersichtlich, daß der Oberschwingungsgehalt durch Verwendung eines Freilaufthyristors erheblich reduziert wird. Außerdem wird die Grundschwingungsamplitude vergrößert. Maßgeblich ist hier die 11. Harmonische, welche die Stromoberschwingung der Netzfrequenz kennzeichnet. Tabelle 1 zeigt die Amplitude der 11. Harmonischen im Vergleich zur Grundschwingungsamplitude.

Tabelle 1

Verhältnis von netzfrequenter Amplitude zur Grundschwingungsamplitude

Bei großen Steuerwinkeln wird die Amplitude der Oberschwingung ohne Freilauf größer als die der Grundschwingung.

Durch die Anwendung unterschiedlicher Steuerwinkel für den Hauptthyristor und den Freilaufthyristor kann das Oberschwingungsspektrum der Schaltung mit Freilauf weiter positiv beeinflußt werden. In den Bildern 1 und 2, die Anordnungen mit Freilauf-Thyristoren betreffen, wurde der Steuerwinkel für den Freilaufthyristor α_n,2=0° gewählt.

Tabelle 2 zeigt den Einfluß auf das Verhältnis der 11. Oberschwingung zur Grundschwingung.

Tabelle 2

Verhältnis von netzfrequenter Amplitude zur Grundschwingungsamplitude bei Steuerwinkel α₂=α₁ und α₂=0

Claims

1. Anordnung zur Drehzahlverstellung einer ein- oder mehrphasigen Induktionsmaschine mit einem mehrphasigen Halbleiter- Drehstromsteller, insbesondere Thyristor-Drehstromsteller, wobei die Schaltimpulse der Halbleiter des Drehstromstellers so erzeugt werden, daß durch abwechselndes Durchschalten jeweils eine wählbare Anzahl aufeinanderfolgender positiver Spannungshalbwellen und aufeinanderfolgender negativer Spannungshalbwellen in jeder Phase, die Ausgangsspannungen des Drehstromstellers ein mehrphasiges Drehspannungssystem bilden, dessen erste Harmonische eine der gewählten Anzahl aufeinanderfolgender Spannungshalbwellen der einen bzw. anderen Polarität entsprechende niedrigere Frequenz als die Frequenz des speisenden Netzes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Induktionsmaschine mit Freilauf- Halbleiter-Anordnungen beschaltet sind, die im Wechsel mit dem Durchschalten der einzelnen Halbwellen durch einen zugehörigen Halbleiter des Drehstromstellers eingeschaltet werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilauf-Halbleiter Freilauf-Thyristoren sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 für Dreiphasen-Induktionsmaschinen in Sternschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilauf-Halbleiterpaare zwischen einen Phasenanschluß und den Sternpunkt geschaltet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 Dreiphasen-Induktionsmaschinen in Dreieckschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilauf-Halbleiterpaare jeweils zwischen zwei Phasenanschlüsse geschaltet sind.

5. Anwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Positionieren von von einem Induktionsmotor angetriebenen Arbeitsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsmotor zunächst mit Netzfrequenz hochgefahren wird, durch Messung des Stromes oder des cos ϕ die Last bei Nenndrehzahl ermittelt wird und dann für den Einlauf der Arbeitsmaschine in die gewünschte Position durch abwechselndes Durchschalten jeweils mehrerer aufeinanderfolgender positiver Halbwellen und mehrerer aufeinanderfolgender negativer Halbwellen der Netzspannung mit Freilauf zwischen den einzelnen Halbwellen eine Speisespannung mit einer ersten Harmonischen von gegenüber der Netzfrequenz niedrigerer ggf. veränderlicher Frequenz und auf die ermittelte Last abgestimmter, ggf. veränderlicher Amplitude erzeugt wird.

6. Anwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsmotor unter veränderlichem Anschnittwinkel des Drehstromstellers mit allmählich wachsender Speisespannung von Netzfrequenz hochgefahren wird.

7. Anwendung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Speisespannung, die die erste Harmonische von gegenüber der Netzfrequenz niedrigerer Frequenz aufweist, die Frequenz und die Amplitude so gesteuert werden, daß die Bremsbeschleunigung lastunabhängig konstant bleibt.