-
Anordnung zur Steuerung eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Schleifringläufer
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung eines Drehstrom-Asynchronmotors
mit Schleifringläufer in allen vier Quadranten seiner Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik
mit Hilfe von antiparallelen Thyristoren zwischen den Leitern R, S, T eines
Drehstromnetzes und den Klemmen U, V, W
der Statorwicklung des Motors.
-
Die Erfindung besteht in der Kombination folgender Merkmale: a) Jeder
Leiter R und T ist über je zwei antiparallele Thyristoren mit den Klemmen
U und W,
b) der Leiter S ist über zwei antiparallele Thyristoren mit
der Klemme V, über einen mit Durchlaßrichtung zur Statorwicklung weisenden Thyristor
mit der Klemme U und über einen mit Durchlaßrichtung zum Drehstromnetz weisenden
Thyristor mit der Klemme W und c) die Rotorwicklung ist über einen ungesteuerten
Gleichrichtersatz mit einer elektronischen Pulsschaltvorrichtung und einem konstanten
ohmschen Widerstand verbunden.
-
Beim Betrieb von Asynchronmotoren, insbesondere mit Schleifringläufer,
ist es bekannt, auf der Statorseite antiparallele steuerbare Siliziumhalbleiter
vorzusehen, die je nach dem Betriebszustand des Motors verschiedenartig gesteuert
werden. Ferner ist es nicht mehr neu, mit derartigen steuerbaren Siliziumzellen
auch auf der Rotorseite den Wirkstrom stetig zu regeln. Jedoch erst durch die erfindungsgemäße
Kombination von Thyristoren sowohl auf der Stator- als auch auf der Rotorseite läßt
sich ein kontaktloser Betrieb des Drehstrommotors im gesamten Drehzahl-Drehmoment-Bereich
mit einem vorteilhaft unvergleichbar geringen Aufwand für Motor- und Bremsbetrieb
vorwärts und rückwärts erreichen. Insbesondere ist der erforderliche Aufwand auch
geringer als der beim Betrieb eines solchen Motors über einen Umrichter oder Wechselrichter.
-
Die praktische Bedeutung der Erfindung liegt darin, daß keinerlei
mechanische Schalter erforderlich sind und daß die Steuerung der Drehzahl und des
Drehmomentes des Motors gänzlich stetig erfolgen kann. Außerdem erfolgt die Steuerung
des Motors auf andere gewünschte Drehzahlen und die Umkehrung der Drehrichtung mit
größtmöglicher Beschleunigung.
-
An Hand der Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert. Der Motor wird statorseitig über zwölf Thyristoren, die je
nach dem Betriebszustand verschiedenartig gesteuert werden, aus einem Drehstromnetz
RST gespeist. Auf der Rotorseite befindet sich ein ungesteuerter Gleichrichtersatz
20, der über eine Drossel 18 mit einem festen Widerstand 19 verbunden ist. Der im
Betrieb wirksame Widerstand kann durch eine elektronische Pulsschaltung im Bereich
von 0 bis R geändert werden. Die elektronische Pulsschaltung besteht in bekannter
Weise aus einem Thyristor 13, der von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung
gezündet und durch einen Löschkondensator 17 periodisch gelöscht werden kann, und
zwar durch Zünden eines Thyristors 14. Eine Diode 15 und eine Drossel
16 dienen zur erforderlichen Umladung des Kondensators 17. Mit Hilfe der
Anordnung im Rotorstromkreis ist es möglich, bei voller Drehzahl das Drehmoment
dadurch von 0 bis zu einem Sollwert zu ändern, daß die zum Widerstand 19 parallelliegende
Pulsschaltung verschieden lange gezündet wird. Bei Stillstand des mit voller Netzspannung
gespeisten Motors läßt sich jedoch nur der Sollwert des Drehmomentes erreichen,
da hier die größte Rotorspannung auftritt und der durch den Widerstand 19 fließende
Strom dem Nennmoment entspricht (dafür ist der Widerstand 19 bemessen). Will
man bei Stillstand und bei Teildrehzahlen kleinere Drehmomente erzielen, so kann
dies dadurch geschehen, daß die Statorspannung vermindert wird. Letzteres ist möglich
durch eine entsprechende Steuerung der Thyristoren auf der Statorseite, und zwar
werden für eine bestimmte Drehrichtung nur die Thyristoren 1, 2, 6, 7,11,12
gezündet und alle anderen gesperrt. Wenn diese Zündung rechtzeitig erfolgt, so liegt
dabei der Motor an der vollen Drehspannung des Netzes RST. Wenn die Zündung dieser
Thyristoren (entsprechend der Anschnittsteuerung von Stromrichtern) verzögert wird,
so läßt sich der vom Motor aufgenommene Strom bzw. die am Motor
anliegende
Spannung vom vollen Wert bis auf Null heruntersteuern. Dabei treten gewisse Oberwellen
auf, die jedoch in erträglichen Grenzen bleiben, so daß das Arbeiten des Motors
nur wenig beeinträchtigt wird. In Verbindung mit der elektronischen Pulsschaltung
des Widerstandes 19 läßt sich auf diese Weise der gesamte Drehzahl-Drehmoment-Bereich
für motorischen Betrieb in einer Drehrichtung kontaktlos und stetig bestreichen.
-
Wünscht man die umgekehrte Drehrichtung des Motors, so werden statt
der Thyristoren 1, 2, 6, 7, 11,12 die Thyristoren 4, 5, 6, 7, 8, 9 gezündet und
sämtliche übrigen wie vorher gesperrt. Der Stator des Motors liegt dann je nach
dem Zündzeitpunkt dieser Thyristoren an einer Drehspannung umgekehrter Phasenfolge
und mit veränderbarer Spannung, so daß der gesamte Drehzahl-Drehmoment-Bereich bei
umgekehrter Drehrichtung durchfahren werden kann.
-
Soll der Motor abgebremst werden, so ist dies bekanntlich dadurch
möglich, daß der Stator mit Gleichstrom erregt wird. Dies ist wiederum mit Hilfe
der Statorthyristoren möglich, und zwar dadurch, daß die Thyristoren 1, 3, 4, 9,10,12
gezündet, alle übrigen jedoch gesperrt werden. Die gezündeten Thyristoren bilden
dann eine dreiphasige Brückenschaltung, die durch zwei Stränge des Stators einen
Gleichstrom schickt, dessen Größe von den Zündzeitpunkten dieser Thyristoren abhängt
und infolgedessen durch letztere gesteuert werden kann. Gleichzeitig kann auch der
wirksame Betrag des Widerstandes 19 im Rotorstromkreis elektronisch gesteuert werden,
so daß sich über den ganzen Drehzahlbereich ein stetig einstellbares Bremsmoment
von voller Größe bis auf Null kontaktlos erzielen läßt. Kurz vor dem Stillstand
des Motors, d. h. beim Unterschreiten der Nennschlupffrequenz, hört die Wirkung
der Gleichstrombremsung auf. Um auch hier noch eine kräftige Bremswirkung zu erzielen
bzw. um den Motor schnell zu reversieren, können kurz vor dem Stillstand des Motors
die statorseitigen Thyristoren vom Gleichstrombremsbetrieb auf inverses Drehfeld
umgeschaltet werden, so daß in Verbindung mit der elektronischen Steuerung des Widerstandes
19 wiederum das volle oder auch ein kleineres, rückläufiges Drehmoment auftritt.
Bei dieser Betriebsart wird vermieden, daß im Rotor wesentlich größere Frequenzen
als Nennfrequenz auftreten. Infolgedessen treten auch in den Gleichrichterventilen,
in den Thyristoren und im Widerstand 19 im Rotorstromkreis keine wesentlich größeren
Spannungen als Nennspannung auf.
-
Die beschriebene Betriebsweise des Motors vermeidet beim Einschalten
kurzschlußartige Anlaufströme, wie sie beim üblichen Betrieb von Asynchronmotoren
auftreten können. Bei Teildrehzahlen treten zwar im Widerstand 19 Verluste auf,
diese sind jedoch verhältnismäßig klein, da man stets mit den statorseitigen Thyristoren
die Spannung des Motors möglichst klein einstellen wird.
-
Mit den heute handelsüblichen Thyristoren lassen sich Motoren am 380-V-Netz
mit nur einer Triode in Reihe betreiben. Da die heute üblichen Trioden Ströme von
100 bis 200 A Mittelwert zu führen vermögen, ergeben sich mit zwölf Statorthyristoren
Leistungen von 100 bis 300 kW. Durch entsprechende Auslegung der Thyristoren und
des Widerstandes 19 kann der Motor vorübergehend auch mit doppeltem oder noch größerem
Strom und entsprechend vergrößertem Drehmoment betrieben werden.
-
Bei der Gleichstromerregung des Stators muß der dann im Statorkreis
wirksame Gleichrichter fast um 90° zündverzögert werden, da der Gleichstrom nur
durch den ohmschen Widerstand des Stators begrenzt wird und letzterer außerordentlich
klein ist. Es treten dann in der Gleichspannung bei sechspulsiger Gleichrichtung
Spannungsoberwellen auf, deren Grundfrequenz (bei 50 Hz Netzfrequenz 300 Hz) 24,%
der vollen Gleichspannung beträgt. Diese Oberwellenspannung hat einen entsprechenden
Strom im Stator zur Folge, der jedoch so klein ist, daß er kein wesentliches Moment
erzeugt und auch keine wesentliche Erwärmung der Wicklung zur Folge hat.