DE1638415C3 - Elektrischer Drehstrommotor, insbesondere Asynchronmotor, zum Antrieb einer überwiegend in einem bestimmten Teildrehzahlbereich betriebenen Arbeitsmaschine - Google Patents

Description

windungszahl erhöht werden muß, um bei der verminderten Induktion eine bestimmte Klemmenspannung zu erreichen. Die erhöhte Statorwindungs.:ahl hat zur Folge, daß die Streuspannung des Motors sich erhöht. Die erhöhte Streuspannung des Motoi» ist für den Betrieb des Wechselrichters besonders vorteilhaft, da durch sie die Oberschwingungen des vom Wechselrichter gelieferten Stromes verringert werden. Diese Oberschwingungen rühren daher, daß die rechteckförmige Wechselrichterspannung auf eine sinusförmige Motor-EMK arbeitet, die Differenzspannungswerte haben Oberschwingungswerte zur Folge. Außerdem begrenzt die Kurzschlußreaktanz des Motors die im Augenblick der Zwangskommutierung auftretenden Überstromspitzen, wodurch ebenfalls die Ausnutzbarkeit des Wechselrichters gesteigert wird. Schließlich hat die erhöhte Kurzschlußreaktanz des Motors /ur Folge, daß unterhalb des betrachteten Teildrehzahlbereiches, in dem - wenn auch nur vorübergehend - der Wechselrichter eine durch Pulsen verminderte Spannung liefern muß, die Pulsfrequenz und damit die Verluste verringert werden.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt zunächst die Schaltung eines zwangskommutierten Wechselrichters, der aus eine^ konstanten Gleichspannung U_d gespeist wird und auf einen Asynchronmotor M arbeitet. Der Wechselrichter hat sechs zwangsgelöschte Ventile 1 bis 6 und sechs für die Führung des Blindstromes erforderliche Blindstromdioden 7bis 12. Die zwangskommutierten Ventile sind schematisch durch zwei Steueranschlüsse gekennzeichnet. Die speisende Gleichspannung des Wechselrichters ist durch einen Pufferkondensator C überbrückt. In der Steuerung St wird in bekannter Weise die Drehzahl n^ mit dem Sollwert der Drehzahl 'Ίο// verglichen, und daraus werden die Zündinipulse und die Löschimpulse der steuerbaren Ventile abgeleitet.

Fig. 2 zeigt den Anstieg des Magnetisierungsstromes Ιμ des Motors mit der magnetischen Induktion B. Bei großen Werten der Induktion B steigt dieser Strom bekanntlich überproportional an.

Die Fig. 3 zeigt zunächst aufgetragen über der Drehzahl η den von der Arbeitsmaschine geforderten Wirkstrom l_Hirk. Ausgehend von dieser Kurve werden die Verhältnisse bei zwei Drehstrommotorer, in einem Teildrehzahlbereich Ι,Γ-2,2' untersucht, wobei sich diese Motoren hinsichtlich ihrer magnetischen Sättigungsgrade in diesem Bereich unterscheiden. Als Ergebnis aus dieser Fig. 3 läßt sich dann erkennen, daß sich innerhalb dieses Teildrehzahlbereiches der Betrag der geometrischen Summe aus Wirkstrom und Magnetisierungsstrom für die beiden Maschinen unterschiedlich aufweist. Für die erfindungsgemäße Maschine, die bei Nenndrehzahl mit nur verminderter Sättigung arbeitet, verringert sich der Betrag der geometrischen Summe des Wirk- und Magnetisierungsstromes l_{wirk vr} + Ι_μ ,..y, ausgehend von einer Drehzahl Γ zu einer kleineren Drehzahl 2'. Davon abweichend ist zu erkennen, daß sich der Betrag der geometrischen Summe aus Wirk- und Magnetisierungsstrom l_wlrkl.2 + Ι_μί_2 bei einer üblichen Maschine, die also nur auf sich bezogen wirtschaftlich ausgelegt bei Nenndrehzahl mit hoher Sättigung arbeitet, erhöht, wenn sie von einer Drehzahl 1 auf eine kleinere Drehzahl 2 abgebremst wird.

Zur Darstellung der obigen Aussage wurde dabei nach Art folgender Hilfskonstruktionen verfahren. Bei der Drehzahl im Punkt 2 bzw. 2' wurden zu dem Wirkstrom Ι_λιΛ1 dazu senkrecht die Magnetisierungsströme I₁₁₂. bzw. Ι_μ2 in ihrer Größe der Fig. 2 entsprechend abgetragen. Die geometrische Summe führt dann in einem Fall zu dem Vektor

•5 Α..·,*: + Lx ^DZW- dem Vektor /^₂ + /,,,im anderen Fall. Überträgt man diese Größen auf die Verhältnisse des Drehzahlpunktes 2 bzw. 2'. erhält man die Endpunkte der oben als Ergebnis erläuterten Verlaufskurven bei den Maschinen für diese Drehzahl.

Eine gleichartige Hilfskonstruktion im Drehzahlpunkt 1, Γ ergibt deren Anfangswerte.

Inder Fig. 3 ist ferner noch im Teildrehzahlbereich Ι,Γ-1,2' der Verlauf des Betrages der Magnetisierungsströme /_μ1., und /_μΓ2 strichpunktiert eingetragen.

Ausgehend von dem in der Fig. 3 erkennbaren Ergebnis der erfinderischen Auslegung einer Maschine folgert nun weiter für den sie speisenden zwangskommutierten Wechselrichter eine kleinere erforderliche Typenleistung. Dies führt zu einer wirtschaftlich günstigeren Gesamtanordnung.

Die Erfindung ist beispielsweise von Vorteil angewendet bei Pumpen, die mit regelbarer, insbesondere schnellregelbarer Leistung, d.h. schnell regelbarer Drehzahl arbeiten müssen und bei denen der Teildrehzahlbereich, beispielsweise von Nenndrehzahl bis 70% der Nenndrehzahl erreicht. 70% Nenndrehzahl entspricht bei quadratischer Drehmomentkennlinie etwa an der unteren Grenze des Drehzahlbereiches einen Wirkstrom von (),7^: = 0,49 des Nennstromes und damit des Nennmomentes. Die Leistung ist an dieser unteren Grenze des Drehzahlbereiches 0,7' = 0,34 der Nennleistung. In manchen praktischen Fällen arbeiten Pumpen oder Gebläse oder Schiffsschrauben überwiegend nur in einem derartigen Leistungsbereich, so daß die Erfindung sich besonders auf diesem Gebiet mit Nutzen anwenden läßt. Durch Absenkung der magnetischen Induktion im Nennpunkt auf beispielsweise 70% des üblichen Wertes, steigt der Aufwand für einen Asynchronmotor schätzungsweise um 30%. Andererseits wird dadurch jedoch, wie im vorstehenden im einzelnen beschrieben wurde, die Arbeitsweise des Wechselrichters so stark erleichtert, daß der Aufwandgewinn am Wechselrichter die Aufwandzunahme des Motors mehr als ausgleicht. Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich mit Vorteil nicht nur bei Asynchronmotoren, sondern auch bei Synchronmotoren mit erregtem Rotor oder bei Reluktanzmotoren anwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrischer Drehstommotor, insbesondere Asynchronmotor, zum Antrieb einer überwiegend in einem bestimmten Teildrehzahlbereich betriebenen Arbeitsmaschine, die ein mit der Drehzahl stärker als linear abfallendes Drehmoment erfordert, welcher Drehstrommotor von einem zwangskommutierten Wechselrichter mit veränderlicher Frequenz und Spannung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei im Teildrehzahlhereich konstant gehaltener Spannung des Wechselrichters der Motor für den Nennpunkt durch Wahl eines kleinen Luftspaltes und einer kleinen Luftspaltinduktion mit einem derart kleinen Magnetisierungsstrom ausgelegt ist, daß im ganzen überwiegend in Frage kommenden Teildrehzahlbereich der Motorstrom einschließlich Leerlaufstrom nicht größer wird als der im Nennpunkt.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Drehstrommotor, insbesondere Asynchronmotor, zum Antrieb einer überwiegend in einem bestimmten Teildrehzahlbereich betriebenen Arbeitsmaschine, die ein mit der Drehzahl stärker als linear abfallendes Drehmoment erfordert, welcher Drehstrommotor von ein«. ' zwangskommutierten Wechselrichter mit veränderlicher Frequenz und Spannung gespeist ist. Ein derartiger Drehstrommotor ist aus der deutschen Patentschrift 1 238989 bekannt.

   Mit der Entwicklung leistungsstarker steuerbarer Halbleiterventile ergab sich die Möglichkeit ihres Einsatzes auf dem Gebiet der zwangskommutierten Wechselrichter. In dieser Folge zeichnet sich eine vergrößerte Einsatzbreite für Asynchronmotoren ab, und zwar lassen sich wechsclrichtergespeiste Asynchronmotore durch Veränderung der vom Wechselrichter erzeugten Frequenz mit veränderlicher Drehzahl betreiben.

   Wenn der magnetische Fluß im Asynchronmotor bei veränderlicher Drehzahl zur guten Ausnutzung des Motors konstant gehalten werden soll, muß sich die Spannung am Motor angenähert proportional mit der Drehzahl ändern. Der Wechselrichter muß dann also eine mit der Frequenz angenäherte proportional veränderliche Spannung liefern. Dazu sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Entweder kann man die den Wechselrichter speisende Gleichspannung bei abnehmender Frequenz angenähert proportional absenken, beispielsweise durch einen Gleichrichter mit Gittersteuerung (Elektrical Engineering v. März 1962, Seite 183, Fig. 8). Man kann auch mit konstanter Gleichspannung arbeiten und die am Motor wirksame Spannung bei abnehmender Frequenz dadurch vermindern, daß der Wechselrichter nach vorgeschlagener Weise im Pulsbetrieh betrieben wird (deutsche Offenlegungsschrift 141353ft). Dieses letztgenannte Verfahren hat den Vorteil, daß die zur /wangslöschung erforderliche Spannung der Loschungskondcnsatorcn bei jeder Frequenz in ausreichendem Maße /ur Verfugung steht. Außerdem erfordert es nur eine konstante Gleichspannung, wie sie

   von einem Akkumulator oder einem ungestcuerten Gleichrichter auf einfachste Weise zur Verfugung gestellt wird.

   Der Pulsbetrieb des Wechselrichters bedeutet, daß die llalhleiterventile mit wesentlich höherer Schalt frequenz arbeiten als es der normalen Arbeitsfrequenz entspricht und daß sie daher höher beansprucht werden. Das gleiche gilt für die Löschkondensatoren und andere Einzelteile des Wechselrichters.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese zusätzliche Beanspruchung zu vermeiden und die Ausnutzbarkeit des Wechselrichters zu steigern unter Beibehaltung der Vorteile der Wechselrichterspcisung durch eine konstante Gleichspannung. Wenn mit abnehmender Frequenz die Spannung am Motor konstant bleibt, so steigt der Fluß im Motor umgekehrt proportional mit de.- Frequenz an. Damit ist eine starke Zunahme des Magnetisierungsstromes verbunden. Um diese Zunahme in erträglichen Grenzen zu halten, muß die magnetische Induktion im Motor im Nennpunkt gegenüber den normal üblichen Werten abgesenkt werden, da dann sowohl die Absolutgröße des Magnetisierungsstromes als auch seine Zunahme mit abnehmender Frequenz geringer werden.

   Ausgehend von dieser Erkenntnis wird die gestellte Aufgabe bei einem Drehstrommotor der eingangs genannten Art durch die Erfindung dadurch gelöst, daß bei im Teildrehzahlbereich konstant gehaltener Spannung des Wechselrichters der Motor für den Nennpunkt durch Wahl eines kleinen Luftspaltes und einer kleinen Luftspaltinduktion mit einem derart kleinen Magnetisierungsstrom ausgelegt ist, daß im ganzen überwiegend in Frage kommenden Teildrehzahlbereich der Motorstrom einschließlich Leerlaufstrom nicht größer wird als der im Nennpunkt.

   Praktisch bedeutet dies, daß der Motor im Nennpunkt mit verminderter magnetischer Induktion betrieben wird und daß diese Induktion bei Verminderung der Drehzahl ansteigt, beispielsweise bis auf den bei herkömmlichen Motoren üblichen Wert oder sogar darüber hinaus.

   Kleine Teildrehzahlbereiche kommen in der Praxis vor allen Dingen vor bei Arbeitsmaschinen, deren Drehmoment mit der Drehzahl stärker als linear abfällt, wie Antrieb von Pumpen, Gebläsen, Schiffsschrauben u.dgl. In vielen Fällen arbeiten derartige Antriebe mit einem Teildrehzahlbereich, der nur etwa 30% des gesamten Bereiches beträgt. Lediglich in Ausnahmefällen, beispielsweise beim Anfahren oder beim Stillsitzen wird der Teildrehzahlbereich unterschritten.

   Die nach der Erfindung notwendige Auslegung des Motors mit verhältnismäßig kleiner Induktion im Nennpunkt hat eine Vergrößerung der Motortypenleistung zur Folge. Dieser Mehraufwand beim Motor kann jedoch in vielen Fällen in Kauf genommen werden, weil sich durch die Anwendung des Erfindungsgedankens die Ausnutzung des Wechselrichters erhöht und weil der Kostenanteil des Wechselrichters am Gesamtantrieb größer ist als der des Motors. Die bessere Ausnutzung des Wechselrichters beruht darauf, daß er im normalen Teildrehzahlbereich nicht im Pulsbetrieb arbeitet und daß daher die Erwärmung der Halbleiterzellen und der übrigen Bauelemente kleiner wird, so daß die Nennleistung gesteigert werden kann, llin/u kommt jedoch noch ein zweiter Vorteil: Beider Auslegungeines Motors mit verminderter magnetischer Induktion ergibt sich, daß die Stator-