DE1250914B - Speed control of a three-phase asynchronous motor - Google Patents
Speed control of a three-phase asynchronous motorInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AU3LEGESCHRIFTAU3LEGESCHRIFT
■L■ L
Int. Cl.:Int. Cl .:
H02pH02p
Nummer: 1250 914 Number: 1250 914
Aktenzeichen: L 39259 VIII b/21 c File number: L 39259 VIII b / 21 c
Anmeldetag: 16. Juni 1961 Filing date: June 16, 1961
AusIegetagr 28. September p67 AusIegetagr September 28 p67
Die nachstehend beschriebene Erfindung beziehtsich auf ferne Drehzahlsteuerung eines Dreipbasenasynchronmotorsv'der über steuerbare Quecksilberdampf- oder Halbleiterstromrichter gespeist - und durch Verstellen von Spannung ;ünd Frequenz der den Ständerwicklungen des Motors zugeführten elektrischen Energie gesteuert bzw. geregelt wird.The invention described below relates to remote speed control of a three-phase asynchronous motor v 'which is fed via controllable mercury vapor or semiconductor converters - and controlled by adjusting the voltage; and the frequency of the electrical energy supplied to the stator windings of the motor.
Die Speisung jeder. Phase eines mehrphasigen Asynchronmotors durch Stromrichter in, Gegen- -parallelschaltung ist an sich bekannt. Die drei Ίο Phasenwicklangen können galvanisch unverkettet,. ' über sechs Leiter, galvanisch verkettet über drei Leiter mit oder ohne Nulleiter gespeist werden. Die Gegenpärallelschaltungen können in der Spannung gesteuert oder geregelt sein. AJch die Ausführung in der sogenannten kreisstromfreien Schaltung ist vorteilhaft möglich. Statt der Gegenparallelschaltung ist auch eine Kreuzschaltung anwendbar. Es sind auch Vorschläge zur Läuferspeisung über Gleichrichter und Wechselrichter mit Gleichstromzwischenkreis so bekanntgeworden, welche im wesentlichen den Ersatz des Frequenzumformes bei dem doppelt ge-.speisten Asynchronmotor durch eine Stromrichterkaskade darstellen. Dieser Vorschlag enthält jedoch keine weiteren Ausführungen über die Art der Regelung.Feeding everyone. Phase of a polyphase asynchronous motor through converter in, counter-parallel connection is known per se. The three Ίο Phase windings can be galvanically unlinked. '' over six conductors, galvanically linked over three Conductors can be fed with or without a neutral conductor. The opposite parallel connections can be in voltage be controlled or regulated. The implementation in the so-called circulating current-free circuit is advantageously possible. Instead of the opposite parallel connection is a cross connection can also be used. There are also suggestions for rotor supply via rectifiers and inverters with a direct current intermediate circuit have become known, which essentially represent the replacement of the frequency converter in the double-fed asynchronous motor with a converter cascade. However, this suggestion contains no further information on the type of regulation.
Es sind auch Vorschläge mit Speisung von Motor. wicklungen über ein- und ■ausschaltbare Elemente, . z. B. Transistoren, bekanntgeworden. Mit diesen Gedanken hat die vorliegende Erfindung jedoch keine Berührungspunkte, da sie Ventile verwendet, die positive Sperrspannung bis zur Einleitung des Stromflusses durch einen Zündimpuls, negative Sperrspannung erst nach dem Nulldurchgang des Stromes aufnehmen können, sogenannte Stromrichter im eigent- liehen Sinn. Letzteres hat zur Folge, daß die in den gesteuerten Elementen umgesetzte Verlustwärme ein Minimum wird. Es sind Quecksilberdampfstromrichter, wie gesteuerte Halbleiterstromrichter für die Erfindung gleichermaßen anwendbar.There are also proposals with a motor supply. windings using elements that can be switched on and off,. z. B. Transistors, became known. However, the present invention does not have these ideas Points of contact, since it uses valves that can absorb the positive reverse voltage until the current flow is initiated by an ignition pulse, negative reverse voltage only after the current has passed zero, so-called converters in the actual lent sense. The latter has the consequence that the heat dissipated in the controlled elements a Becomes minimum. There are mercury vapor converters, like controlled semiconductor converters for the Invention equally applicable.
Es sei zunächst auf die physikalischen Verhältnisse des Asynchronmotors eingegangen. Bei dieser Maschine liefert das Netz den Magnetisierüngsstromu Die aufgedrückte Spannung bestimmt den Fluß der Maschine, die Winkelgeschwindigkeit, mit der das magnetische Feld umläuft, cov ist durch Ständerfrequenz und Polpaarzahl gegeben, gemäß der Be-First of all, the physical conditions of the asynchronous motor will be discussed. In this machine, the network supplies the magnetizing current. The applied voltage determines the flux of the machine, the angular velocity at which the magnetic field rotates, co v is given by the stator frequency and the number of pole pairs, according to the
eines Dreiphasenasynchronmotorsa three-phase asynchronous motor
Anmelder:Applicant:
Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H., Frankfurt/M, Theodor-Stern-Kai 1 Licentia Patent-Verwaltungs-G. mb H., Frankfurt / M, Theodor-Stern-Kai 1
Als Erfinder benannt: Dr.-Ing. Robert Jötten, BerlinNamed as inventor: Dr.-Ing. Robert Jötten, Berlin
frequenz und ρ die Polpaarzahl. Die mechanische • Winkelgeschwindigkeit des Läufers sei ω2 genannt. Die Läufer-EMK ist proportional a>s = (O)1-W2) undfrequency and ρ the number of pole pairs. The mechanical • angular velocity of the rotor is called ω 2 . The rotor emf is proportional to a> s = (O) 1 -W 2 ) and hat einen Kurzschlußstrom in der Läuferwicklung zur Folge. Bekanntlich bildet das Drehstromsystem des Lauf erstromes einen Strombelag aus, welcher unabhängig von der Läuferdrehzahl synchron mit dem Ständerdrehfeld umläuft. Im Ständer stellt sich dann neben dem Magnetisierungsstrom .der Belastungsstrom ein, dessen Strombelag den Läuferstrombelag hinsichtlich der magnetomotorischen Kraft ausgleicht - (Drehfeldtransformator). Bei fester Speisefrequenz ft results in a short-circuit current in the rotor winding. As is known, the three-phase system of the running erstromes forms a current coating which rotates synchronously with the stator rotating field regardless of the rotor speed. In addition to the magnetizing current, the load current is then set in the stator, the current coating of which compensates the rotor current coating with regard to the magnetomotive force - (rotating field transformer). With a fixed feed frequency f t bezeichnet man als (bezogenen) Schlupf.is referred to as (related) slip.
Bekanntlich nehmen mit wachsendem Schlupf die Laufer-EMK E2. und der LauferstroniZ2 zu, gleichzeitig jedoch die Läuferfrequenz und damit die Phasennacheilung des Läuferstromes gegenüber der Läufer-EMK. Damit wird die räumliche Zuordnung von Maschinenfluß und Läuferstrombelag mit abnehmendem Leistungsfaktor des Läuferstromkreises immer ungünstiger, das über den Umfang gemittelte Drehmoment wird mit wachsendem Schlupf nach einem Maximum wieder kleiner, und der Ständerstrom nimmt mit wachsendem Schlupf stetig zu auf Werte von mehr als 600% des Nennstromes, während Drehmoment und Leistungsfaktor abnehmen. Dieses Betriebsverhalten ist für die thermische Belastung der Maschine und auch die speisenden Stromrichter, insbesondere für HalbIeiterstromrichtsr, sehr, ungünstig. It is known that the Laufer EMF E 2 increases with increasing slip. and the LauferstroniZ 2 , but at the same time the rotor frequency and thus the phase lag of the rotor current compared to the rotor EMF. As a result, the spatial allocation of machine flow and rotor current coating becomes more and more unfavorable with decreasing power factor of the rotor circuit, the torque averaged over the circumference becomes smaller again with increasing slip after a maximum, and the stator current steadily increases with increasing slip to values of more than 600% of the Rated current, while torque and power factor decrease. This operating behavior is very, unfavorable for the thermal load on the machine and also for the feeding converters, in particular for semiconductor converters.
Es sind bereits Asynchronmotoren bekannt, die von einem Stromrichter mit frequenzveränderlichem Drehstrom gespeist werden und bei denen zur Vermeidung des Kippens die Schlüpffrequenz zwangsweise für alle Motörbelastungen in ihrer Größe sowohl im positiven als auch im negativen Sinn begrenzt wird. Bei dieser bekannten Anordnung werden alle Signale mit Hilfe Von rotierenden Maschinen und mechanischen Getrieben vorzugsweise in FormAsynchronous motors are already known, which are powered by a converter with variable frequency Three-phase current are fed and in which, in order to avoid tipping, the slip frequency is forcibly limited in its size for all motor loads, both in a positive and in a negative sense. In this known arrangement, all signals are generated with the aid of rotating machines and mechanical gears preferably in the form
709 649/320709 649/320
von Drehzahlen erzeugt. In einem Ausführungsbeispiel werden an Stelle von Drehzahlen auch Spannungen zusammengesetzt, von denen eine der Läuferfrequenz, eine der Schlupffrequenz und die Summe der Ständerfrequenz entspricht. Diese bebannte An-Ordnung ergibt einen rein drehmomentgesteuerten Antrieb. Eine Regelung der Drehzahl ist mit ihr nicht möglich. Niemals, könnten die dynamischen Eigenschaften einer derartigen Anordnung für die geringe thermische Kapazität eines Stromrichters, insbesonderes eines Halbleiterstromrichters, ausreichen. generated by speeds. In one embodiment, instead of speeds, voltages are also combined, one of which corresponds to the rotor frequency, one to the slip frequency and the sum of the stator frequency. This well-known arrangement results in a purely torque-controlled drive. It is not possible to regulate the speed with it. The dynamic properties of such an arrangement could never be sufficient for the low thermal capacity of a converter, in particular a semiconductor converter.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, mit Hilfe der Speisung der Ständerwicklung eines Asynchronmotors über gesteuerte Stromrichter, ähnlich wie bei einem Gleichstromantrieb, jede Drehzahl, beispielsweise zwischen nahezu ± Synchrondrehzahl (bezogen auf die Frequenz des speisenden Netzes), auch im Leerlauf ansteuerbar zu machen, die geschilderten Nachteile hinsichtlich Leistungsfaktor und Drehmomentverlauf durch eine geeignete Regelung zu vermeiden und gleichzeitig eine unangenehm starke Zunahme des Ständerstromes zu verhindern.The invention therefore has the task of feeding the stator winding of an asynchronous motor via controlled converters, similar to a direct current drive, any speed, for example between almost ± synchronous speed (related to the frequency of the supply network), To make controllable even when idling, the disadvantages outlined in terms of power factor and To avoid torque curve by a suitable regulation and at the same time an unpleasant one to prevent a sharp increase in the stator current.
Dazu wird die Ständerwicklung in bekannter Weise mit einem Drehspannungssystem vej^n^ejlichexJFrej quenz gespeist, wobei die_ SEan-nujigsamr^tode^pxc)-pörtionar" der "Frequenz "gemacht wird. Damit bleibt die Spannurigszeitfläche je Hälbwelle konstant, und der Motor hat stets seinen vollen Fluß. Ejne Korrektur^fikdie Ständerstreuspannung ist zusatzKrTTrHoi-''30 '"Demgemäß betrifft die Erfindung eine Drehzahlsteuerung eines Drehphasenasynchronmotors, welche die Differenzwinkelgeschwindigkeit zwischen dem im Motor umlaufenden magnetischen Feld und der mechanischen Drehzahl des Läufers zwangsweise für alle Motorbelastungen in ihrer Größe sowohl im positiven als auch im negativen Sinn begrenzt, unter Verwendung einer die Frequenz der speisenden Stromrichter beeinflussenden Anordnung, die von der Summe aus einer der Läuferdrehzahl und einer der einzustellenden Differenzwinkelgeschwindigkeit proportionalen Spannung gesteuert wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Sollwert-IstwertVergleichsanordnung für die Drehzahl und ein dieser nachgeschaltete Drehzahlregler vorgesehen sind, dessen Ausgangsgröße den begrenzten Steuerwert für die Differenzwinkelgeschwindigkeit darstellt, daß die Summenspannung aus der der Läuferdrehzahl proportionalen Spannung und der der einzustellenden Differenzwinkelgeschwindigkeit proportionalen Spannung die Ausgangswerte eines auf die Stromrichter für die Speisung des Asynchronmotors einwirkenden Steuergebers derart bestimmt, daß sie in ihrer Amplitude und Frequenz proportional dieser Summenspannung sind und daß dem Vorzeichen der Summenspannung eine bestimmte Phasenfolge in den Ausgangswerten des Steuergebers zugeordnet ist.For this purpose, the stator winding is fed in a known manner with a three-phase voltage system vej ^ n ^ ejlichexJFrej quenz, whereby the_ SEan-nujigsamr ^ tode ^ pxc) -pörtionar "the" frequency "is made. The voltage time area per half shaft remains constant and the motor has always its full flow. A correction of the stator leakage voltage is additional KrTTrHoi- '' 30 '"Accordingly, the invention relates to a speed control of a rotary phase asynchronous motor, which the differential angular speed between the magnetic field circulating in the motor and the mechanical speed of the rotor compulsorily for all motor loads in its Size limited both in the positive and in the negative sense, using an arrangement which influences the frequency of the feeding converters and which is controlled by the sum of one of the rotor speed and a voltage proportional to the differential angular velocity to be set. It is characterized in that a setpoint / actual value comparison arrangement is provided for the speed and a speed controller connected downstream of this, the output variable of which represents the limited control value for the differential angular speed, that the sum voltage from the voltage proportional to the rotor speed and the voltage proportional to the differential angular speed to be set are the output values of a The control transmitter acting on the converter for supplying the asynchronous motor is determined in such a way that its amplitude and frequency are proportional to this total voltage and that the sign of the total voltage is assigned a certain phase sequence in the output values of the control transmitter.
Bei über Stromrichter gespeisten Gleichstromantrieben ist es bekannt, einer Drehzahlregelung zusätzlich eine Stromregelung und eine Beschleunigungsregelung zu unterlagern. Anregungen zur erfindungsgemäßen Drehzahlsteuerung eines Dreiphasenasynchronmotors mit der Differenzwinkelgeschwindigkeit zwischen dem im Motor umlaufenden magnetischen Feld und der mechanischen Drehzahl des Läufers als begrenzter Stellgröße können dieser bekannten Anordnung nicht entnommen werden.In the case of direct current drives fed via converters, it is known to additionally use speed control to subordinate a current control and an acceleration control. Suggestions for the invention Speed control of a three-phase asynchronous motor with the differential angular speed between the magnetic field circulating in the motor and the mechanical speed of the The rotor as a limited manipulated variable cannot be derived from this known arrangement.
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55 An Hand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Die drei Phasen der Ständerwicklung des Asynchronmotors 1 werden durch drei Stromrichter in Gegenparallelschaltung 2 gespeist. -Sie werden durch den Steuergeber 3 in der Spannung und Frequenz geregelt oder gesteuert, wobei Spannung und Frequenz proportional geändert werden. Mit dem Läufer 8 des Asynchronmotors, der ein Kurzschlußläufer sein kann, ist eine Tachometermaschine 6 gekuppelt. Diese Tachometermaschine ist beispielsweise als Gleichstromtachometermaschine gezeigt. Jeder andere Drehzahlgeber, der ein Signal über Größe und Richtung der Drehzahl geben kann, ist an dieser Stelle ebenfalls möglich. Es ist ferner ein Soll-Ist-VergleichS für die Drehzahl und ein Drehzahlregler 4 vorgesehen. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers 4 nach oben und unten in ihrem Wert begrenzt und liefert einen Steuerwert für die Differenzwinkelgeschwindigkeit (Cu 1-M2). Die Grenzen sind einstellbar. Beispielsweise kann der Grenzwert ±5...10°/o des Wertes betragen, den der Drehzahl-Istwertgeber bei netzsynchroner Drehzahl des Läufers 8 abgeben würde. Die Differenzwinkelgeschwindigkeit zwischen Ständerdrehfeld und Läufer wird damit als begrenzte Stellgröße eingeführt. Übertragungsglieder mit begrenztem Ausgangswert sind an sich bekannt. Sie haben auch bereits bei der Drehzahlregelung eines Gleichstromantriebes Anwendung gefunden. In der in der Zeichnung dargestellten Anordnung werden ferner im Summierglied 7 der Ausgangswert des Drehzahlreglers 4 und ein der Drehzahl proportionaler Wert, der von der Tachometermaschine 6 geliefert wird, vorzeichenrichtig addiert und ihre Summe als Steuergröße für die Frequenz verwendet. Diese Frequenz wird damit Z1 = fs+!*,, wobei fs proportional dem begrenzten vom Drehzahlregler 4 gelieferten Steuerwert für die Differenzwinkelgeschwindigkeit {(O1 — <o2) und /2 proportional dem von der Tachometermaschine 6 gegelieferten Wert ist. 55 The invention is explained in more detail with the aid of a drawing. The three phases of the stator winding of the asynchronous motor 1 are fed by three converters in a counter-parallel circuit 2. -The voltage and frequency are regulated or controlled by the control transmitter 3, with the voltage and frequency being changed proportionally. A tachometer machine 6 is coupled to the rotor 8 of the asynchronous motor, which can be a squirrel cage rotor. This tachometer machine is shown as a DC tachometer machine, for example. Any other speed sensor that can give a signal about the size and direction of the speed is also possible at this point. A set-actual comparison S for the speed and a speed controller 4 are also provided. According to an essential feature of the invention, the output variable of the speed controller 4 is limited in its value upwards and downwards and supplies a control value for the differential angular velocity (Cu 1 -M 2 ). The limits are adjustable. For example, the limit value can be ± 5. The differential angular speed between the stator rotating field and the rotor is thus introduced as a limited manipulated variable. Transfer elements with a limited output value are known per se. They have also already been used to control the speed of a DC drive. In the arrangement shown in the drawing, the output value of the speed controller 4 and a value proportional to the speed, which is supplied by the tachometer machine 6, are added with the correct sign in the summing element 7 and their sum is used as a control variable for the frequency. This frequency is thus Z 1 = fs +! * ,, where f s is proportional to the limited control value supplied by the speed controller 4 for the differential angular velocity {(O 1 - <o 2 ) and / 2 proportional to the value supplied by the tachometer machine 6.
Der Steuergeber 3 hat die Aufgabe, ein ihm zugeführtes Signal in eine Mehrphasenwechselspannung mit diesem Signal proportionaler Frequenz und Amplitude als Sollwerte oder Steuergrößen für die über die Stromrichter 2 den Phasen (in der Regel drei Phasen) zugeführten Spannungen umzusetzen. Die Ausgangswerte. 5yo.iu3_,.iSollen dann die Bedingung erfüllen, daß die Amplitude proportional der Frequenz ist.. Ferner sbirslcTTfuTeine: T^relnnÖmehtümkehr die Phasenfolge des Ausgangs von 3 bed negativem Eingangssignal umkehren.The control transmitter 3 has the task of converting a signal supplied to it into a multi-phase alternating voltage with this signal of proportional frequency and amplitude as setpoints or control variables for the voltages supplied to the phases (usually three phases) via the converter 2. The initial values. 5 yo .iu3 _ ,. iShould then fulfill the condition that the amplitude is proportional to the frequency .. Fe rner sbirslcTTfuTeine: T ^ relnnÖmehtümkehr reverse the phase sequence of the output from 3 with a negative input signal.
Der Steuergeber kann in einer beispielsweisen Ausführung aus einem kleinen Gleichstromnebenschlußmotor (Pilotmotor), welcher die Ausgangsspannung des Summiergliedes 7 in eine dieser Spannung proportionale Drehzahl umsetzt, sowie einem mit diesem Motor gekuppelten kleinen Synchrongenerator bestehen. Der Synchrongenerator kann ein permanentmagnetisches Polsystem besitzen. Die Dreiphasenspannung bzw. die drei Einphasenspannungen, welche er abgibt, erfüllen die oben angegebenen Bedingungen für Frequenz und Spannung. Sie werden als Steuergrößen oder Sollwerte den drei Gegenparallelschaltungen 2 zugeführt. Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des gesamten Regelkreises kann die vom Summierglied 7 abgegebene Spannung als Sollwert einer unterlagertenIn an exemplary embodiment, the control transmitter can consist of a small direct current shunt motor (Pilot motor), which converts the output voltage of the summing element 7 into one of these voltages converts proportional speed, as well as a small synchronous generator coupled to this motor exist. The synchronous generator can have a permanent magnetic pole system. the The three-phase voltage or the three single-phase voltages that it emits meet the requirements specified above Conditions for frequency and voltage. They are used as control variables or setpoints of the three Opposite parallel circuits 2 supplied. To improve the dynamic behavior of the whole The control loop can use the voltage output by the summing element 7 as a setpoint value of a subordinate
Claims (4)
Deutsche Patentschrift Nr. 644 851, 672133;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1080 212;
österreichische Patentschrift Nr. 164 725;
französische Patentschrift Nr. 1 251544;
USA.-Patentschrift Nr. 1481 880;
»Elektrotechnische Zeitschrift«, 1955, Ausg. A, S. 756;Considered publications:
German Patent No. 644 851, 672133;
German interpretative document No. 1080 212;
Austrian Patent No. 164 725;
French Patent No. 1,251,544;
U.S. Patent No. 1481,880;
"Elektrotechnische Zeitschrift", 1955, Issue A, p. 756;
» Westinghouse Engineer«, 1961, H. 4, S. 123 bis 126."VDE-Fachberichte", 1960, pp. 1/70 to 1/81;
"Westinghouse Engineer", 1961, no. 4, pp. 123 to 126.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1250914B true DE1250914B (en) | 1967-09-28 |
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ID=604443
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| DEL39259A Pending DE1250914B (en) | Speed control of a three-phase asynchronous motor |
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| DE (1) | DE1250914B (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3026975A1 (en) * | 1979-07-17 | 1981-01-29 | Mitsubishi Electric Corp | DEVICE FOR CONTROLLING THE SPEED OF AN INDUCTION MOTOR |
| DE3212439A1 (en) * | 1982-04-02 | 1983-10-13 | Robert Prof.Dr.-Ing. 6100 Darmstadt Jötten | METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AN ASYNCHRONOUS MACHINE FEEDED BY FAST ELECTRICAL ACTUATORS |
| DE3332567A1 (en) * | 1983-04-07 | 1985-04-04 | Jötten, Robert, Prof.Dr.-Ing., 6100 Darmstadt | Method for controlling the field suppression of an asynchronous machine which is supplied by means of fast electrical actuators |
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