DE2743699A1

DE2743699A1 - Motorantriebssystem

Info

Publication number: DE2743699A1
Application number: DE19772743699
Authority: DE
Inventors: Masahiko Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1977-09-28
Publication date: 1978-03-30
Also published as: JPS5837799B2; US4160938A; JPS5342312A; DE2743699C2; CA1082765A

Description

- 4 -TlEDTKE - BüHLING - KlNNE - GbUPF.

Patentanwälte:

Dipl.-Ing. Tiedtke Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-Ing. Kinne Dipl.-Ing. Grupe

Bavariarlng 4, Postfach 20 24 8000 München 2

Tel.: (0 89)53 96 53-56 Telex: 5 24 845 tipat cable. Germaniapatent München 28. September1977 B 8439 /case ME-323 (F-1522)

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo, Japan

Motorantriebssystem Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wechselstrom-Motorantriebssystem in Verbindung mit Wechselrichtern.

Es sind Motorantriebssysteme mit Schaltungen gemäß der Darstellung in den Figuren 1(a) und (b) bekannt.

In Fig. 1(a) bezeichnet 1OO einen Ständer mit mehreren Gruppen von ersten und zweiten Wechselstromwick-

3Q lungen 101 und 102 in drei Phasen; 120 bezeichnet einen Läufer mit Gleichstrom-Erregungswicklungen 121; 201 und bezeichnen jeweils eine Mehrzahl von Wechselrichtereinheiten, die mit den Wechselstromwicklungen verbunden sind; 31 und 32 bezeichnen Glättungsdrosseln, die in

Reihe zu Gleichstromeingangskreisen der Wechselrichter-

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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einheiten geschaltet sind. Paare von Gleichsjtyorn- 6t anschlüssen p., η. und p_, η. der Wechselrichtereinheiten

201 bzw. 202 sind jeweils Über die Glättungsdrosseln 31 bzw. 32 parallel an Gleichstromanschlüsse P, N einer gemeinsamen Gleichstromquelle 300 angeschlossen.

In Fig. 1(b) sind mehrere Wechselrichtereinheiten 201, 202 an Gleichstrom-Eingangsanschlüssen p., n. bzw. P₂, n_ in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung ist über eine Gleichstrom-Drossel 30 an die gemeinsame Gleichstromquelle 300 angeschlossen.

Die Wechselrichtereinheiten 201, 202 und die Gleichstromquelle 300 können eine Stromventilschaltung 200 wie eine Stromventilbrücke mit Stromventilen 2a bis 2f gemäß der Darstellung in Fig. 4(a) sein.

In der Schaltung nach Fig. 1(a) oder (b) kann die Frequenz der Drehmoment-Welligkeit dadurch gesteigert werden, daß die Kommutierrate für einen Umlauf des Motors 1 (Schalthäufigkeit der Stromventile je Umlauf bei allen Gruppen der Wechselrichtereinheiten) gesteigert wird, wobei zur Verringerung des Drehmoment-Welligkeitskoeffizienten eine Phasendifferenz (elektrischer Winkel 30° bei zwei Drei-Phasen-Gruppen) zwischen der ersten Wechselstrom wicklung 101 und der zweiten Wechselstromwicklung 102 hervorgerufen wird und die Wechselrichtereinheiten 201 und

202 in ihrer Leitfähigkeit unter Phasendifferenz zueinander gesteuert werden.

Bei der Parallelschaltung nach Fig. 1(a) werden jedoch an der Spannung VPn₁ zwischen den Gleichstrom-Eingangsanschlüssen p., n₁ der ersten Wechselrichtereinheit 201 und der Spannung Vpn_ zwischen den Gleichstrom-Eingangsanschlüssen ρ~* n₂ der zweiten Wechselrichtereinheit

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202 zu der Kommutierung der Wechselrichtereinheiten synchrone Welligkeitsspannungen erzeugt, die eine Phasendifferenz haben. Wenn die Frequenz an den Wechselstromwicklungen (beispielsweise bei niedriger Drehzahl des Motors) niedrig ist, ist die Welligkeitsfrequenz niedrig, wobei ein pulsierender Querstrom hervorgerufen wird, der von dem Momentanwertunterschied der Wechselrichterspannungen VPn₁ und Vpn. abhängt. Das heißt, der Eingangsstrom I₁ des ersten Wechselrichters und der Eingangsstrom I₂ des zweiten Wechselrichters ändern sich abhängig von der Drehung auf I₁ >Ί₂ oder I₁ <C I₂.

Wenn die wechselseitigen Änderungen der Ströme mittels der Glättungsdrosseln 31, 32 unterdrückt werden sollen, müssen abhängig von der niedrigeren Frequenz die Glättungsdrosseln bzw. -induktivitäten größer werden, was unwirtschaftlich ist. Bei einer Welligkeitsspannung der Gleichstromquelle 300 wird durch die Stromquellen-Eingangsstromwelligkeit eine Schwebungserscheinung verursacht, die durch die Spannungswelligkeit und die Kommutierung der Wechselrichter hervorgerufen wird. Das heißt, wenn die Kommutierung zu einem Spitzenwert des Stromquellen-Eingangsstroms erfolgt, wird der Kommutierungs-Uberlappungswinkel der Wechselrichter vergrößert. Die Gleichspannung der Wechselrichtereinheit wird vergrößert, während der Mittelwert des Eingangsgleichstroms der Wechselrichtereinheit vermindert wird. Darüber hinaus werden zwei Wechselrichtereinheiten unter Phasendifferenz kommutiert. Wenn eine Wechselrichtereinheit mit dem Spitzenwert der Stromquellen-Stromwelligkeit synchronisiert ist, ist die andere Wechselrichtereinheit mit dem Talwert der Stromquellen-Stromwelligkeit synchronisiert. Die Phasenbeziehung ist zur Erzeugung der Schwebung verschoben. Die Schwebung ist maximal, wenn die Kommutierfrequenz der Wechselrichtereinheit im wesentlichen gleich der Welligkeitsfrequenz der

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Gleichstromversorgung 300 ist. Die Schwebung wird bei verhältnismäßig hoher Motordrehzahl erzeugt (relativ hohe Frequenz an der Wechselstromwicklung). Die Schwebung hat niedrige Frequenz und tritt als pulsierender Querstrom der Eingangsgleichströme auf. Eine Glättungsdrossel bzw. -induktivität zur Unterdrückung der Schwebung muß groß sein, was gleichfalls unwirtschaftlich ist.

Die Umpolwelligkeit im Niederfrequenzbereich und die Schwebungswelligkeit im Hochfrequenzbereich treten als Drehmoment-Welligkeit des Motors in Erscheinung. Eine Verminderung der Drehmoment-Welligkeit wird nicht erzielt.

Bei dem Reihenschaltungssystem nach Fig. 1(b) sind die beiden Wechselrichtereinheiten 201 und 202 in Reihe geschaltet, wobei bei den Gleichspannungen Vpn^ und Vpn₂ der Wechselrichter eine Reihen-Summierung auftritt und die sich ergebende Wechselrichterspannung für die Gleichstromquelle 300 gleich Vpn^ + Vpn₂ ist, so daß die Wechselrichter als ein Wechselrichter betrachtet werden können. Die Eingangsgleichströme der Wechselrichter sind gleich, so daß keine Querwelligkeit des Wechselstroms wie bei der Schaltung nach Fig. 1(a) verursacht wird.

Die Wechselrichtereinheiten haben jedoch Potentialunterschiede Av hinsichtlich des Gleichstroms, wodurch Durchschnitts-Potentialunterschiede AV* = (V_XTITO - V.,..,)

NU* NUI

zwischen den Neutral- oder Mittelpunktspotentialen V₁ und V» der Wechselstromwicklungen erzeugt werden (ideelle bzw. theoretische Mittelpunktspotentiale bei einer Dreieckschaltung wie beispielsweise einer Ringschaltung) . (in der Schaltung nach Fig. 1(a) ist V-). Demgemäß ist es notwendig, als Masseisolierung der Wechselstromwicklungen (Isolierung gegen den Eisenkern) und Isolierung zwischen den Wicklungen für die

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Potentialdifferenz ΔV eine Isolierung mit höherer Isolationsspannung vorzusehen.

Wenn die Anzahl G der in Reihe geschalteten Wechsel* richtereinheiten gesteigert wird, ist eine höhere Isolationsspannung erforderlich. Wenn jedoch die Isolation verstärkt wird, wird der Anteil der Isolation in den Nuten ■ gesteigert, so daß die effektive Querschnittsfläche der Leiter vermindert wird, wodurch der Motor unwirtschaftlich wird und einen hohen Streuinduktivitätskoeffizienten erhält, wobei die Kommutiereigenschaften der Wechselrichtereinheiten nachteilig beeinflußt werden.

Wenn die Streuinduktivität vergrößert wird, werden die Steuerungsansprechgeschwindigkeit des Motors und die Eingangsstrom-Änderungsgeschwindigkeit dl/dt (di/dt für die Welligkeit, Stromanstiegs-dl/dt und Stromabfall-dl/dt) verringert, wodurch die Eigenschaften des Motors verschlechtert werden. Die Verschlechterung der Eigenschaften bildet besonders im Falle eines schnell ansprechenden Motors Schwierigkeiten, der eine hohe Ansprechgeschwindigkeit haben soll, wie beispielsweise ein Motor für ein Walz- oder Druckwerk.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird bei der

Schaltung nach Fig. 1(a) an dem Eingangsgleichstrom eine Quer-Welligkeit hervorgerufen. Dies ist hinsichtlich der Unterdrückung der Quer-Welligkeit unwirtschaftlich. Die Eigenschaften hinsichtlich der Drehmoment-Welligkeit sind schlechter. Bei der Schaltung nach Fig. 1(b) ist an den Wechselstromwicklungen eine hohe Isolationsspannung erforderlich, was unwirtschaftlich ist. Ferner ist das Ansprechverhalten verschlechtert.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Motorantriebssystem mit geringerer Schwebung und durch die Schwebung verursachter Drehmoment-Schwebungswelligkeit zu schaffen. Weiterhin soll bei dem System die Isolationsspannung für die Wicklungen des Motors niedriger sein. Ferner soll bei dem System durch Vielphasenaufbau eine geringere Drehmoment-Welligkeit auftreten.

Mit der Erfindung soll ein Motorantriebssystem wie ein Gleichstrom-Vielphasen-Thyristorsystem geschaffen werden, das einen Motor mit mehreren Gruppen von Ankerwicklungen, mehrere Gruppen von Wechselrichtereinheiten und mehrere Gruppen von Gleichstromquellen aufweist.

Die Ankerwicklungen einer jeden Gruppe werden jeweils mit dem Wechselrichter einer jeden Gruppe so verbunden, daß den Wicklungen über den Wechselrichter Strom zugeführt wird. Die Wechselrichtereinheiten in den jeweiligen Gruppen sind abwechselnd mit den Gleichstromquellen in den jeweiligen Gruppen so geschaltet, daß eine geschlossene Schleife bzw. ein geschlossener Stromkreis gebildet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1(a) und (b) sind jeweils Schaltbilder herkömmlicher Systeme. 30

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform des Motorantriebssystems.

Fig. 3(a) und (b) sind jeweils Schaltbilder weiterer Ausführungsformen des Motorantriebssystems.

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Fig. 4(a) und (b) sind jeweils Schaltbilder von Ausführungsformen von Wechselrichtereinheiten, die bei dem Motorantriebssystem verwendet werden.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Anordnung der Wicklungen des Motors des Motorantriebssystems.

Fig. 6(a), (b) und (c) zeigen jeweils Anordnungen

der Wicklungen des Motors des Motorantriebssystems .

Bei dem Motorantriebssystem sollen die Welligkeit des Eingangsgleichstroms der Wechselrichtereinheiten und die Isolationsspannung für die Wechselstromwicklungen verringert werden.

Die Fig. 2{a) ist ein Schaltbild einer Ausführungsform des Motorantriebssystems mit einem Synchronmotor als Motor 1, wobei 120 einen Läufer mit einer Hauptfeldwicklung 121 und einer zweiten Serien-Feldwicklung 122 bezeichnet. Die zweite Feldwicklung 122 kann eine Serien-Feldwicklung sein, die auf der gleichen magnetischen Achse wie die Hauptfeldwicklung gebildet ist (Fig. 6(a)), oder eine Kompensationswicklung, deren magnetische Achse senkrecht zu der der Hauptfeldwicklung 122 steht (Fig. 6 (b)). Es kann auch der Fall in Betracht gezogen werden, daß sowohl eine gemeinsame magnetische Achse als auch eine dazu senkrecht stehende magnetische Achse vorhanden ist.

100 bezeichnet einen Ständer mit mehreren Gruppen erster und zweiter Wechselstromwindungen 101, 102 in m Phasen (im dargestellten Fall ist m = 3). Die Wechselstromwicklungen 101 bzw. 102 haben jeweils Phasenwicklungen

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101u, 101v und 101w bzw. 102u, 102v und 102w, welche in Sternschaltung geschaltet sind. Jede Gruppe von Wechselstromwicklungen hat M Wechselstrom-Eingangsanschlüsse für das Einspeisen von Wechselstrom in ihre m-Phasen-Wicklungen (wobei in Fig. 2 der Fall mit M = 3 dargestellt ist). Der Motor 1 ist aus dem Ständer 100 und dem Läufer 120 zusammengesetzt.

Der Läufer 120 des Motors 1 ist im Falle eines Synchronmotors ein Läufer mit einer Gleichstrom-Feldwicklung 121, ein Läufer mit Konvexpolen oder ein Läufer mit der ersten und der zweiten Gleichstrom-Feldwicklung 121 und 122 (Mehrfach-Feldwicklungen 121, 122, Mehrfachfelder oder Zweiachsenfelder). Im Falle eines Käfigläufer-Induktionsmotors ist der Läufer 120 ein solcher mit einem Käfigleiter 124 (Fig. 6(c)). Im Falle eines Schleifringläufer-Induktionsmotors sind ständerseitig Sekundärwicklungen angebracht und bilden die Wechselstromwicklungen 101 und 102.

4 2 bezeichnet eine Serien-Erregungsschaltung zum Einspeisen eines Stroms I^₂2 ^{in die Serien}~^Feldwicklun9 unter proportionalem Ansprechen auf einen Gleichstrom Idc. Die einfachste Serien-Erregungsschaltung 4 2 kann dadurch gebildet werden, daß die Serien-Feldwicklung 122 in Reihe mit dem Gleichstromkreis geschaltet wird.

Wenn die Serien-Feldwicklung 122 eine Kompensationswicklung ist, wird sie über einen Polaritätswechsler wie eine Brückenschaltung mit einem Schalter (oder einem Thyristorschalter) in Reihe geschaltet, so daß sie mit Gegenpolarität erregt wird. Die Serien-Erregungsschaltung 42 kann eine Gleichstromsteuervorrichtung sein, die das Ausgangssignal eines Gleichstromdetektors 41 oder einer proportional ansprechenden Detektorvorrichtung 41' (wie

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eines Wechselstromtransformators an der Wechselstromseite einer Stromventilschaltung) als Eingangssignal aufnimmt und einen Ausgangsstrom erzeugt, der proportional dem Eingangssignal oder proportional dem absoluten Wert in der entgegengesetzten Polarität ist. Als Gleichstromsteuervorrichtung kann eine Steuerstromventilschaltung oder eine Zerhackersteuervorrichtung verwendet werden.

Bei der vorgenannten direkten Reihenschaltung

braucht keine Gleichstromsteuervorrichtung verwendet zu werden. Bei dem letztgenannten Relativsteuerungssystem mit Verwendung der Gleichstromsteuervorrichtung kann der Erregungsstrom I₁₂₂ kleiner als der Haupt-Gleichstrom sein (die Windungsanzahl kann gesteigert werden), wodurch die an dem Läufer angebrachte Spule klein sein kann und das Potential niedriger als das Potential der Niederspannungssteuerschaltung sein kann (die nicht das hohe Potential der Hauptschaltung hat), was vorteilhaft im Hinblick auf die Isolierung der Serien-Feldwicklung 122 ist.

Die Fig. 4(a) zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung, bei der Wechselrichtereinheiten 201, 202 getrennt erregte Wechselrichter sind, welche mittels der inneren EMK der Wechselstromwicklungen des Motors kommutiert bzw. geschaltet werden. Die Fig. 4(b) zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung, bei der die Wechselrichtereinheiten selbst· erregte Wechselrichter oder zwangsgeschaltete Wechselrichter für zwangsweise Kommutierung sind. In den Fig. 4(a) und (b) bezeichnen 2a bis 2f jeweils Thyristoren, 21 bezeichnet Zwangslöschungs-Kondensatoren und 22 bezeichnet Serien-Dioden. Der Wechselrichter mit Kommutierung durch innere EMK gemäß der Darstellung in Fig. 4(a) ist fUr Synchronmotoren mit Erregungsvorrichtung und für Schleifringläufermotoren geeignet. Der Selbsterregungs-Kommutier-Wechsel- richter gemäß der Darstellung in Fig. 4(b) ist sowohl für

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Käfigläufer-Induktionsmotoren als auch für Synchronmotoren oder Schleifringläufer-Induktionsmotoren mit hohem Wirkungsgrad und niedriger Drehmoment-Welligkeit geeignet.

301 bzw. 302 bezeichnen jeweils die erste bzw. die zweite Gleichstromquelle. Die Gleichstromquellen 301 und 302 und die Wechselrichtereinheiten 201 und 202 sind zu einem geschlossenen Seriengleichstromkreis als Stromkreis: erste Gleichstromquelle 301 - erste Wechselrichtereinheit 201 - zweite Gleichstromquelle 302 - zweite Wechselrichtereinheit 202 - erste Gleichstromquelle 301 verbunden. In der Zusammenschaltung sind die Gleichstromquellen und die Wechselrichtereinheiten abwechselnd angeordnet.

31 und 32 bezeichnen jeweils die Gleichstrom-Glättungsdrosseln, die in Reihe in eine oder mehrere von Gleichstromleitungen geschaltet sind, die die Gleichstromquellen und die Wechselstromeinheiten verbinden. Wenn die zusammengefaßte Welligkeitsspannung der Gleichstromquellen 301 und 302 niedrig ist, ist es möglich, die Gleichstrom-Glättungsdrosseln 31 und 32 wegzulassen.

41 bezeichnet den Gleichstromdetektor für die Ermittlung des Gleichstroms in der Reihenschaltung aus den Gleichstromquellen und den Wechselrichtereinheiten. Anstelle des Gleichstromdetektors 41 kann eine proportional ansprechende Detektorvorrichtung 41' mit einem Wechselstromtransformator in die Wechselstromseite der Stromventilschaltungen geschaltet werden, wie es durch die gestrichelte Linie gezeigt ist.

300 bezeichnet einen Phasenverschiebungs-Transformator, der eine Primärwicklung 320 und Sekundärwicklungen 311 und 312 hat.
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Wenn bei der Ausführungsform nach Flg. 2 das Ideelle neutrale oder Mittelpunktspotential der ersten Gleichstromquelle 301 als Bezugspotential (Nullpotential) bestimmt wird, haben der Anschluß P der ersten Gleichstromquelle 301 und der Anschluß P₁ der ersten Wechselrichtereinheit 201 das gleiche Gleichstrompotential © (Durchschnittspotential unter Vernachlässigung der Welligkeit); der Anschluß n₁ der ersten Wechselrichtereinheit 201 und der Anschluß η der zweiten Gleichstromquelle 302 haben das gleiche Gleich- Strompotential Θ; der Anschluß P der zweiten Gleichstrom quelle 302 und der Anschluß P₁ der zweiten Wechselrichtereinheit 202 haben das gleiche Gleichstrompotential © und der Anschluß n- der zweiten Wechselrichtereinheit 202 und der Anschluß η der ersten Gleichstromquelle 301 haben das gleiche Gleichstrompotential Q.

Das Potential des Gleichstrom-Eingangsanschlusses der Wechselrichtereinheit wird abwechselnd auf Positiv und Negativ verändert, wobei die Summe nicht ansteigt. Demge ^mäß sind die ideellen Mittelpunktsgleichstrompotentiale der ersten Wechselstromwicklung 101 und der zweiten Wechselstromwicklung 102 im wesentlichen auf dem Bezugspotential. Das heißt, die Mittelpunktpotentiale der beiden Wechselstromwicklungen haben keine Gleichstrompotentialdifferenz Δν. Demgemäß braucht für die Isolierung der Wechselstromwicklungen nur die Wechselspannung an dem Paar von Wechselstromwicklungen (als Spannung für den Mittelpunkt oder Linienspannung) in Betracht gezogen zu werden. Trotz der Serienschaltung bei den Gleichstromleitungen kann die

Isolationsdurchbruchs- oder Isolationsspannung niedrig sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind zwei Gruppen von Wechselstromwicklungen, Wechselrichtereinheiten und Gleichstromquellen verwendet. Es ist möglich, eine· gewünschte Mehrzahl von Gruppen (G Gruppen) dieser Baukomponenten

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zu verwenden.

In Fig. 3(a) ist eine Ausführungsform mit G = 3 gezeigt. In Fig. 3(b) ist eine Ausführungsform mit G = gezeigt. Die Wechselstromwicklungen bei der Ausführungsform nach Fig. 3(a) haben jeweils eine Phasendifferenz mit dem elektrischen Winkel 7^/9. Bei der Ausführungsform mit G - 4 und m = 3 haben die Wechselstromwicklungen jeweils eine Phasendifferenz mit dem elektrischen Winkel 7C/12.

Wenn m die Anzahl der Phasen eines Paares von Wechselstromwicklungen bezeichnet und G die Anzahl der Gruppen bezeichnet, so ist üblicherweise die Phasendifferenz zwischen benachbarten Gruppen im Falle einer ungeraden Zahl für m gleich 7£/mG und im Falle einer geraden Zahl für m gleich 2 7c/mG. Die Drehmoment-Welligkeit kann auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Wenn bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis G Gruppen von Gleichstromquellen 301 bis 3OG Stromventil-Gleichrichterschaltungen wie beispielsweise nach den Fig. 4(a), (b) sind, kann eine Phasendifferenz sowohl zwischen den G Gruppen der Wechselstromquellen als auch bei der Verbindung der G Gruppen der Wechselrichtereinheiten 201 bis 2OG und den G Gruppen der Wechselstromwicklungen 101 bis 1OG hervorgerufen werden. Wenn die G Gruppen der Wechselstromquellen über den Phasenverschiebungs-Transformator 320 und 311 bis 31G aus der gemeinsamen Wechselstromversorgung betrieben werden, kann für die gemeinsame Stromversorgung die Phasenanzahl für die Gleichrichtung gesteigert werden, so daß Störungen in dem Wechselstromversorgungssystem durch höhere Harmonische vermindert werden und die Stromversorgungs-Welligkeiten bei dem Gleichstrom in dem geschlossenen Stromkreis, das heißt bei dem Eingangsgleichstrom der Wechselrichtereinheiten beträchtlich verringert werden. Darüber hinaus

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werden sowohl die Stromversorgungs-Gleichrichtungswelligkeit als auch der Schwebungswelligkeitsstrom und die Schwebungs-Drehmoment-Welligkeit, die durch die Mittelpunkt-Einwirkung der Wechselrichterkommutation verursacht wird (Abhängigkeit des Momentanstromwerts von dem Koiranu tations-Uberlappungswinkel), gleichfalls beträchtlich verringert (umgekehrt proportional zum Quadrat oder dem Kubus der Gruppenanzahl G). Das Motorantriebssystem hat beträchtliche kombinierte Wirkungen hinsichtlich der Verminderung der Schwebungs-Drehmoment-Welligkeit an dem Motor.

Wenn bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 die Ausgangsspannungen der G Gruppen von Gleichstrom quellen 301 bis 3OG gesteuert werden, ist es möglich, ein Steuerverfahren mit gleichzeitiger Steuerung oder Gleichtakt-Steuerung anzuwenden, bei dem die Ausgangsspannungen gleichzeitig bei der gleichen Spannungsbeziehung gewechselt werden, oder es kann ein Folge-Steuerverfahren angewendet werden, bei dem die Gleichspannungen in einer Gruppe verändert werden (Ansteigen oder Abfallen) und darauffolgend die Gleichspannungen in der anderen Gruppe verändert werden.

Wenn die Gleichstromquellen 301 bis 3OG Stromventilschaltungen sind, ergibt das erstere Verfahren den Vorteil geringerer Störungen der Wechselstromquelle durch hohe Harmonische und geringerer Gleichstrom-Gleichrichtungs-Welligkeit, während das letztere Verfahren den Vorteil einer geringeren Wechselstromversorgungs-Blindleistung ergibt. 30

Anhand der Fig. 5 und 6 werden Ausführungsformen der Anordnung der Wicklungen für den Ständer 100 und den Läufer 120 erläutert, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind.

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In der Ausführungsform nach Fig. 5 sind zwei Gruppen von Ständerkernen 111a und 111b koaxial in einem gemeinsamen Rahmen bzw. Gehäuse 114 eingepasst und Läuferkerne 112a und 112b sind an einer gemeinsamen Achswelle 110 angebracht, wobei die erste Wechselstromwicklung 101 und die zweite Wechselstromwicklung 102 jeweils auf den ersten Ständerkern 111a bzw. den zweiten Ständerkern 111b gewickelt sind. Die Läufer- bzw. Feldwicklung 120 (die Gleichstrom-Feldwicklung 121, die Reihen-Feldwicklung 122 oder die Kompensations-Wicklung 122 im Falle des Synchronmotors und die vielphasige Primär-Wicklung 123 im Falle des Schleifringlaufer-Induktionsmotors) kann eine gemeinsame Wicklung auf dem ersten Läuferkern 112a und dem zweiten Läuferkern 112b sein (wobei die Nuten beider Kerne von einem Leiter durchsetzt werden). Es ist ferner möglich, wie bei dem Ständer jeden der Kerne einzeln zu wickeln und die Wicklungen in Reihe oder parallel zu schalten. Im Falle eines Käfigläufers können Käfigleiter 124 und Verbindungsringe 125 so verbunden sein, wie es durch die strichpunktierten Linien gezeigt ist. Ferner ist es möglich, den Käfigleiter durch die Nuten beider Kerne hindurchzuführen und die Ringe nur an den beiden Stirnseiten anzuschließen.

Es ist klar, daß ein Motor mit einer Läufer-Wicklung 120 mit Schleifringen 115 und Bürsten 116 ausgestattet werden kann.

Zwei Gruppen von Wechselstromwicklungen können gemäß der Darstellung in Fig. 5 verbunden werden. Wenn der Läuferleiter ein geteilter Käfigleiter ist, kann die Phasenverschiebung der Wechselstromwicklungen nach Wunsch erfolgen und wird durch die Leitphasensteuerung der Wechselrichtereinheiten hervorgerufen.
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Bei dem Käfigläufer mit einem die beiden Kerne 112a und 112b durchsetzenden Lauferleiter, dem Läufer mit der vielphasigen Primärwicklung 123 bei dem Schleifringlaufer-Induktionsmotor und dem Läufer mit den Gleichstrom-Feldwicklungen 121 und 122 wird für den vorbestimmten elektrischen Winkel /7/mG oder 2 JL/mG die Umfangslaqe der Nuten für die Ständerwicklung oder die Urefangslage der Nuten für den Läuferleiter verschoben. Diese bilden wechselseitige elektromagnetische Lagen, wobei beide Arten kombiniert werden können. Dadurch kann die Phasendifferenz der zwei Gruppen der Wechselstromwicklungen ausgebildet werden.

Es wurde die Ausführungsform der beiden Gruppen erläutert. Auf die gleiche Weise ist es möglich, einen Motor mit direkter axialer Verbindung der Motorachswellen mit G Gruppen von Wechselstromwicklunqen zu bilden.

Es ist ferner möglich, G Motoren direkt zu verbinden, d. h. die Achswellen der Motoren direkt axial zu verbinden, oder sie mit Getrieben zwischen den Achswellen zu verbinden.

Die Fig. 6(a) zeigt eine AusfUhrungsform, bei der die Nuten des gemeinsamen Ständerkerns ^{111 in} eine obere und eine untere Schicht unterteilt sind, in der jeweils die ersten Wechselstromwicklungen 101u, 101u bis 10iw, 101w bzw. die zweiten Wechselstromwicklungen 102u, 102Ü bis 102w, 102w eingesetzt sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Dreiphasen-Zweipolausführung mit Konvexpolen gezeigt. Die Zonenbreite einer jeden Phase (elektrischer Winkel für die Verteilung der Zonenbreite auf Nuten, die den Leiter für eine Phase aufnehmen) ist 7Z./3. Die Zonenbreiten bzw. Wickelzonen 101u bis 102w in Fig. 6(a)

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stellen die Leiterwindungen dar, die in die Nuten in der Zone eingesetzt sind, wobei die Wicklungen für eine jede der Phasen (die mit u, v, w bzw. in Gegenpolarität mit u, v, w bezeichnet sind) durch Verbinden in Reihen-Parallel-Schaltung gebildet sind. In der vereinfachten Darstellung in Fig. 6 ist die erste Wicklung an der äußeren Umfangszone der Ständernuten angeordnet, während die zweite Wicklung an der inneren Umfangszone der Ständernuten angeordnet ist. Die Lage ⁱⁿ diesen Nuten (Spaltseite und gegenüberliegende Seite) kann vertauscht sein.

Beispielsweise kann die Hälfte der Wicklung 101u in den gegenüberliegenden Seiten der Nuten angeordnet sein, während die zweite Hälfte der Wicklung 101u in den Spaltseiten der Nuten angeordnet sein kann. Die gleichen Anordnungen können bei allen Zonenbreiten bzw. Phasenzonen getroffen werden, so daß die ersten und die zweiten Wicklungen abwechselnd in der Spaltseite und in der gegenüberliegenden Seite eingesetzt sind, wodurch die Streuinduktivitäten für alle Gruppen ausgeglichen werden.

Die Fig. 6 (a) ist die schematische Ansicht eines Schenkelpolläufers (der mit zwei ausgeprägten Polen dargestellt ist) mit der Feldwicklung 121 und der Serien-Feldwicklung 122. In der Praxis kann ein Konvexpol-Synchronmotor-Aufbau mit einer höheren Polanzahl verwendet werden.

Anstelle des Läufers nach Fig. 6(a) kann ein zylindrischer Läufer bzw. Vollpolläufer nach Fig. 6 (b) verwendet werden.

Wenn der Feldläufer 120 nach Fig. 6(a) durch einen Käfigläufer 120 nach Fig. 6(c) mit einem Käfigleiter 124 ersetzt ist, kann für den Käfigläufermotor der Ständer 100

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nach Fig. 6(a) verwendet werden. Die Fig. 6(b) zeigt die weitere Kombination aus dem Ständer 100 und dem Vollpolläufer 120. In der Fig. 6 ist die Zonenbreite der Wicklung für eine Phase einer Gruppe der Wechselstromwicklungen gleich TL/mG (m »ungerade Zahl, Fig. 6 (b) zeigt den Fall m = 3) oder gleich 2 TC/mG (m = gerade Zahl; Fig. 6 (b) zeigt auch den Fall für m = 6 unter dem Gesichtspunkt, daß die Gegenpolaritätslagen u; υ, ν; ν und w; w als verschiedene Wicklungen anzusehen sind). In der Fig. 6(a) sind zwei Gruppen von Wechselstromwicklungen in Nuten eingesetzt, die in radialer Richtung unterteilt sind. Im Gegensatz dazu sind in Fig. 6(b) die Wicklungen in Umfangsrichtung aufgeteilt, wobei bei der Anordnung der Wicklungen die Zonenbreiten aufgeteilt _si_n<j. wenn die Wicklungen in der relativen bzw. Umfangsrichtung aufgeteilt sind, ist die Nutenanzahl für eine jede Gruppe und eine jede Phase vermindert, wodurch die Oberwellen hoher Ordnung im Spalt vergrößert sind. Jedoch kann im Vergleich mit dem Fall nach Fig. 6(a) mit Aufteilung auf den äußeren und den inneren Umfang die Anzahl G der aufgeteilten Gruppen beträchtlich gesteigert werden. Darüber hinaus besteht kein Unterschied zwischen den Größen der Wicklungen, so daß die gleiche Wicklungsart verwendet werden kann und vorteilhaft die komplizierten Verbindungen an den Enden der Wicklungen leicht zustande ge- bracht werden können. Das in Fig. 6(b) gezeigte Ständerwickelverfahren kann auch bei dem Konvexpol-Läufer und dem Käfigläufer Anwendung finden.

Der in Fig. 6 (b) gezeigte Vollpol-

läufer ^nat die Haupt-Feldwicklung 121 und die Kompensations-Wicklung 122 , deren Magnetachsen gekreuzt sind. Die (der Phasen-Zonenbreite entsprechende) Verteilungszonenbreite der Haupt-Feldwicklung 121 ist im wesentlichen gleich der oder kleiner als die Verteilungszonenbreite der Kompensations-Wicklung 122. Bei einem herkömmlichen Vollpol-Synchronmotor

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ist die Verteilungsbreite der Haupt-Feldwicklung 121 ungefähr 2 7C/3. Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 6(b) ist die Verteilungsbreite der Haupt-Feldwicklung kleiner als 7£-/2, wodurch die Spalte klein sein können, der Normalfeldverlust klein sein kann und der wirksame magnetische Spaltfluß hoch sein kann.

Mit der Erfindung ist ein Motorantriebssystem geschaffen, das G ( -2)-Gruppen von m-Phasen-Wechselrichtereinheiten, G ( =2)-Gruppen von m-Phasen-Wechselstromwicklungen, die über die m-Phasen-Wechselrichtereinheiten gespeist werden, und G ( =2)-Gruppen von Gleichstromquellen hat, die mit den G Gruppen der Wechselrichtereinheiten so verbunden sind, daß sie im Gleichstromkreis in abwechselnder Reihenschaltung einen geschlossenen Kreis bzw. eine , geschlossene Reihen-Schleife in abwechselnder Anordnung bilden.

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Claims

TlEDTKE - BüHLING - KlNNE - GrJPE

Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-lng. Kinne Dipl.-lng. Grupe

Bavariarlng 4, Postfach 20 8000 München 2

Tel.: (089) 53 9653-Telex:5 24 845tipat cable. Germaniapatent Munch 28. September 1977 B 8439/ case ME-323 (F-1522)

Patentansprüche

Motorantriebssystem, gekennzeichnet durch einen Wechselstrommotor (1), der G Gruppen mit G >· oder gleich 2 von m-Phasen-Wechselstromwicklungen (101,

102) aufweist, von denen jede Gruppe m Phasen an Wechselstromwicklungen mit M Wechselstrom-Eingangsanschlüssen hat, wobei M J> oder gleich 2 ist, durch G Gruppen von m-Phasen-Wechselrichtereinheiten (201, 202), von denen jede Einheit eine Mehrzahl von Festkörperschaltelementen, ein Paar von Gleichstrom-Eingangsanschlüssen (p, n) und M Wechselstrom-Ausgangsanschlüsse hat, die jeweils an die M Wechselstrom-Eingangsanschlüsse einer jeweiligen Gruppe der G Gruppen von m-Phasen-Wechselstromwicklungen angeschlossen sind, wobei jedes der Festkörperschaltelemente jeweils zwischen einen der Gleichstrom-Eingangsanschlüsse und einen jeweiligen Wechselstrom-Ausgangsanschluß geschaltet sind, und durch G Gruppen von Gleichstromquellen (301, 302), von denen je.de Gruppe ein Paar von Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939 S44 Posischeck (München) KIo. 670-43-804

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(P, η) hat, wobei geschlossene Gleichstromleitungsschleifen die Paare der Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse der G Gruppen der Gleichstromquellen und die Paare der Gleichstrom-Eingangsanschlüsse der G Gruppen der m-Phasen-Wechselrichtereinheiten so verbinden, daß diese abwechselnd zueinander in Reihe geschaltet sind.
2. Motorantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die G Gruppen der m-Phasen-Wechselstrom-

wicklungen (101, 102) in bezug auf ihre EMK eine Phasendifferenz zwischen wenigstens einem Paar der Gruppen aufweisen und die G Gruppen der m-Phasen-Wechselrichtereinheiten (201, 202) in bezug auf die Leitfähigkeitssteuerung ihrer Festkörperschaltelemente eine Phasendifferenz zwischen wenigstens einem Paar der Gruppen aufweisen.
3. Motorantriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe der Gleichstromquellen (301, 302) eine Gleichrichtereinheit aufweist, deren Wechselstromspeiseanschlüsse jeweils mit einer von G Gruppen von Wechselstromquellen (311, 312) verbunden sind, bei denen zwischen wenigstens einem Paar der Gruppen eine Phasendifferenz hinsichtlich ihrer Wech-' selspannung besteht.
4. Motorantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (1) einen gemeinsamen Ständerkern (100) mit einer Luft- Spaltfläche aufweist, um die herum eine Anordnung von Leitern der Wechselstromwicklungen (101, 102) angebracht ist, wobei jeder Phasenstreifen der Leiter einer jeweiligen Phase jeder Gruppe der G Gruppen der m-Phasen-Wechselstromwicklungen einem Teil der Anord nung zugeordnet ist, die entlang des Umfangs der Luft-

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Spaltfläche in mG Teile für den elektrischen Winkel
2/L aufgeteilt ist.
5. Motorantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (1) einen gemeinsamen Statorkern (100) mit einer Luftspaltfläche aufweist, um die herum eine Anordnung von Leitern der Wechselstromwicklungen (101, 102) angebracht ist, wobei jeder Phasenstreifen der Leiter einer jeweiligen Phase jeder Gruppe der G-Gruppen der m-

Phasen-Wechselstromwicklungen einem Teil der Anordnung zugeordnet ist, die entlang des ümfangs der Luftspaltfläche in mG Teile für den elektrischen Winkel TL aufgeteilt ist.
6. Motorantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (1) ein Synchronmotor ist, der eine Hauptfeldwicklung (121) aufweist, die einen gemeinsamen Feldfluß für alle

G Gruppen der m-Phasen-Wechselstromwicklungen bildet.
7. Motorantriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronmotor eine zweite Feldwicklung (122) aufweist.
8. Motorantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (1) ein Induktionsmotor ist, der einen Käfigläufer (120)
und einen Ständer (100) aufweist, auf dem alle G

Gruppen der m-Phasen-Wechselstromwicklungen angebracht sind.

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