ASYNCHRONOUS MACHINE DRIVE

Abstract: 1. Operating circuit for a three-phase machine (5) a) with a static converter (1, 2, 3) b) with natural commutation c) which static converter is effectively connected at the output end via at least one three-phase line (r, s, t) and via at least one series capacitor (C1) per phase of a three-phase machine current to the three-phase machine, characterized in d) that the three-phase machine is an asynchronous machine (5) ; e) that per phase of the three-phase machine current at least one filter capacitor (C2) is provided which is effectively connected to the three-phase line (r, s, t) between the series capacitor (C1) and the output of the static converter (1, 2, 3) ; f) that the filter capacitor (C2) is an inductor-capacitor unit or connected in series with a filter choke (L2) and g) that these series resonant circuits formed in this manner are effectively connected to one another per phase of the three-phase machine current with their end not connected to the three-phase line (r, s, t).

Description: Asynchronmaschinenantrieb Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Betriebsschaltung für eine Drehstrommaschine nach dem Oberbegriff des Patentansprurhs 1. Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Betriebsschaltungen für Drehstrommaschinen Bezug, wie er in der Schweizer Firmenzeitschrift: Brown Boverl Mitteilungen 9/10 (1974) 5. 440 - 447 be schrieben ist. Dort wird der Stator einer erregten Synchronmaschine direkt von einem statischen Frequenzum- richter mit Gleichstromzwischenkreis und natürllcher Kommutierung des Wechselrichters drehzahlvariabel gespeist. Die für die Kommutierung der Thyristoren des Wechselrichters erforderliche Blindleistung wird dabei von der Synchronmaschine geliefert. Das Anfahren der z.B. für Pumpspeicherwerke, Phasenschieber und Gasturbo- gruppen verwendeten Synchronmaschine erfolgt im Feldschwäch¯ betiieb. Synchronmaschinen sind jedoch aufwendiger und teurer als Asynchronmaschinen. Asynchronmaschinen, die auch für explosionsgeschützte Anwendungsfälle geeignet sind, können Blindleistung nur aufnehmen, aber nicht abgeben. Die Erfindung wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Betriebsschaltung für eine Asynehronmaschine anzugeben, bei der die einfache, bekannte Stromrichterschaltung mit natürlicher Kommutierung eingesetzt werden kann, wie sie für den Betrieb von Synchronmaschinen verwendet wird. Fin Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit einem geringen Aufwand an zusätzilchen Bauelementen eine Synchronmaschine durch eine Asynchronmaschine ersetzt werden kann. Vorteile der Asynchronmaschine gegenüber der Synchronmaschine sind: grössere Robustheit der Antriebsmaschine, kleineres Leistungsgewicht und Lelstungswolumen, kleineres Trägheitsmoment des Rotors, Wartungsfreiheit durch Wegfall des Kommutators. Zum Betrieb von Asynchronmaschinen wurden bisher Spannungs umrichter (Umrichter mit Glelchspannungszwlsrhenkrels) oder selbstgeführte Stromrichter mit Gleichstrom-Zwischen- kreis und Phasenfolgelöschung, siehe die deutsche Firmenzeit schrift BBC-Nachrichten 11 (1978) S. 485 - 492, oder direkte Umrichter, insbesondere Steuerumrichter, verwendet. Die erfindungsgemasse Schaltung erlaubt den Betrieb von Asynchronmaschinen am einfachsten Stromrichter, mit Hilfe geeignet geschalteter Kondensatoren, für Ventilatoren, Pumpen usw. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zur Kommutierung verwendeten Serie- und Parallelkondensatoren vergleichsweise geringeren Spannungsbelastungen ausgesetzt sind als die Kondensatoren bei einem selbstgeführten Umrichter. Das Saugkreisfilter bringt zusammen mit der Asynchronmaschine bei normaler Auslegung keine Resonanzen, da die Asynchronmaschine relativ stark gedämpft ist. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Betriebsschaltung einer von einem Umrich- ter gespeisten Asynchronmaschine mit Serie- und Filterkondensatoren, Fig. 2 ein Lastimpedanz-Frequenzdiagramm zur Erläuterung der Wirkung der Kondensatoren In der Betrieb schaltung gemäss Fig. 1 und Fig. 3 ein Drehmoment-Frequenzdiagramm mit und ohne Saugkreis gemäss Fig. 1. Ein In Fig. 1 dargestellter statischer Frequenzumrichter mit Gleichstromzwischenkreis weist einen netzgeführten Gleichrichter ], einen lastgeführten Wechsel richter 2 und eine Zwischenkreisdrossel 3 im (;leirhstromzwischen- kreis auf. Gleich- und Wechselrichter 1 und 2 enthalten Drehst rombrückenschal tungen mit Thyristoren n den Biücke zweigen, die 6pulsig gesteuert sind. Die drei Wechsel- stromeingänge des Gleichrichters 1 sind über je eine Netzdrossel 4 mit je einem Phasenleiter R, S, T eines Drehstromnetzes verbunden. Die drei Wechselstromeingänge des Wechselrichters 2 sind je über Drehstromleitungen r, s, t und Seriekondensatoren Cl an je eine Statorwick- lung einer Asynchronmaschine (ASM) 5 mit Kurzschlussläufer angeschlossen. Die drei Statorwicklungen der Asynchronmaschine 5 sind in Stern geschaltet; sie könnten aber auch in Dreieck geschaltet sein. Die unmittelbar an die Drehstromausgänge des Wechselrichters 2 angeschlossenen Drehstromleitungen r, s, t sind pro Phase des Maschinen-Drehstroms an einen Saugkreis aus einer Reihenschaltung eines Filterkondensators C2 und einer Filterdrossel L2 angeschlossen. Die drei Saugkreise sind In Stern geschaltet und hinsichtlich ihrer Bauelemente gleich dimensioniert. Das gilt auch für die drei Seriekondensatoren, die mit drei Statorwicklungen an Reihe geschaltet sind und somit selbst Saugkreise darstellen, die zu den drei Saugkreisen aus Filterkon- densator C2 und Filterdrossel L2 parallelgeschaltet sind. Als Filterkondensatoren C2 werden vorzugsweise sogenannte verdrosselte Kondensatoren verwendet so dass besondere Filterdrosseln L2 entfallen. Die Bemessung der Kondensatoren Cl und C2 geschieht so, dass diese möglichst klein bleiben und dass gleich- zeitig die Impedanz der Gesamtlast - ASM 5 und Kondensatoren Cl und C2 - immer kapazitiv bleibt . Der induktive Blindwiderstand XL der Last ist vorzugsweise kleiner als 20 % der Bezugsimpedanz XB, mit UN XB = 1N.2#.fN, UN = Phasennennspannung, lN = Nennstrom, fN = Nennfrequenz. Ohne Serie- und Filterkondensatoren wäre die Impedanz der Last (ASM 5) Induktiv, vgl. Fig. 2, Kurve a. In Fig. 2 ist auf der Ordinate die Lastimpedanz in willkürlichen Einheiten und auf der Abszisse die Frequenz f in Hertz aufgetragen. Mit Serie- aber ohne Filterkondensatoren wäre die Impedanz der Last bis etwa 40 S der Nennfrequenz fN der ASM 5 kapazitiv und bei höheren Frequenzen induktiv, vgl. Fig. 2, Kurve b. Mit Serie- und Filterkondensatoren C1 und C2 bleibt die Impedanz der Last im gesamten Frequenzbereich der Asynchronmaschine 5 kapazitiv, vgl. Fig. 2, Kurve c. Ohne die durch C2 und L2 gebildeten Saugkreise ist das Drehmament M der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von der Frequenz f nur in einem schmalen Bereich mittels eines nicht dargestellten Stromreglers regelbar, vgl. Fig. 3, die ausgezogene Kurve a. Mit Saugkreisen aus C2 und L2 erreicht man für M einen grösseren Regel bereich, wie es im Prinzip in Fig. 3 durch die gestrichelte Kurve t dargestellt ist. Im Drehzahl- bzw Frequenzbereich von 0 - 10 % der Ncrin- frequenz fN wird die Asynchronmaschine 5 wie eir Strom- richtermotor angefahren, d.h. mit Pulsbetrieb, vgl. die o.g. Brown Bover@ Mitteilungen 9/10 (1974) 5, 440-447. Für Frequenzen zwischen ca. 10 S - 25 % von fN wird vorzugsweise im Feldschwächbetrieb gefahren. Für Frequenzen > 25 % von fN gilt Vollefldbetrieb. Die erfindungsgemässe Betriebsschaltung eignet sich nicht für zu hohe Losbrechmomente, aber sehr gut für den grossen Markt der Ventilator- und Pumpenantriebe. Nachstehend sind zwei Bemessungsbeispiele für dir Kondensatoren C1 und C2 für eine 3phasige Asynchronmasrhine 5 angegeben. Beispiel 1: Magnetisierungsstrom der ASM 5 I = 300 A Phasenspannung U = 1 kV maximal er Saugkreisfilterstrom i2 = 1 kA Streureaktanz der ASM 5 (primär- und sekundärseitig): X#1 + X 2 @ @ 0,2 nbei f = 50 Hz, Reaktanz eines Seriekondensators Cl: XCl = D, @ # bei f = 50 Hz, Kapazität des Seriekondensetors Cl: Cl = 1/(2##f#Xcl) # 4 m@, Reaktanz eines Filterkondensators C2: XC2 = 1 kV/(0,3 # 1 kA) = 3,3 #, 0,3 = Optimserungsansatz, Kapazität des Filterkondensators C2: C2 # 1 mF. Beispiel 2: Wie Beispiel 1, jedoch Phasenspannung U = 380 V Cl = 4 mf # (1kV/380 V)2 = 27,7 mf C2 = 7 mF. Für eine Spannung von 380 V erhält man in Abhängigkeit der Scheinleistung @ der Asynchrenmaschine 5: Cl/S = 28 mF/3 MVA = 9,3 f/kVA und C2/S # 2,3 f/kVA.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Betriebsschaltung für eine Drehstrommaschine a) mit einem Stromrichter (1, 2, 3) b) mit natürlicher Kommutierung, c) welcher Stromrichter ausgangsseitig über mindestens eine Drehstromleitung (r, s, t) je Phase eines Maschinendrehstroms mit der Drehstrommaschine in Wirkverbindunq steht, dadurch gekennzeichnet, d) dass die Drehstrommasehlnr eine Asynchronmaschine (5) ist und e) dass die Asynchronmaschine über mindestens einen riekondensator (Cl) je Phase des Maschinen-Drch stroms mit dem Ausgang des Stromrlchters in Wirkver- bindung steht. 2. Betriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass je Phase des Maschinendrehstroms mindestens ein Filterkondensator (C2) vorgesehen ist, der mit der Drehstromleitung (r, s, t) zwischen dem Seriekon- densator (C1) und dem Ausgang des Stromrichters (1, 2, 3) in Wirkverbindung steht. 3. Betriebsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet a) dass der Filterkondensator (C2) mit einer FSter- drossel (L2) in Reihe geschaltet ist und b) dass diese so gebildeten Saugkreise je Phase des Maschinen-Drehstroms mit ihrem nicht mit der Dreh- stromleitung (r, s, t) in Verbindung stehenden Ende miteinander in Wirkverbindung stehen. 4. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter ein Umrichter mit Glelehstromzwlschenkrels ist, der eingangs seitig mit einem Wechsel stromnetz (R, S, T) in Wirk verbindung steht. 5. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Reaktanz der an den Ausgang des Stromrichters (1, 2, 3) ange schlossenen Asynchronmaschine (5), Seriekondensatoren (C1) und ggf. weiterer, an die Drehstromleitungen (r, s, t) angeschlossener Bauelemente kapazitiv ist. 6. Bet riebssehaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass die induktive Komponente der Gesamt-Reaktanz bei Nennfrequenz (fN) < 20 % der Bezugsimpedanz (XB) ist. 7. Betriebsschaltung nach einem der Ansprürhe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Kapazität des Seriekondensators (C1) im Bereich von 4 5 F bis 18 5 pF, b) insbesondere, im Bereich von 8 . S F bis 11 . S liegt, bezogen auf eine Spannung von 380 V, S = Scheinleistung der Antriebsmaschine in kVA. 8. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Filter kondensators (C2) kleiner als die Kapazität des Serie- kondensators (Cl) ist. 9. Betriebsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, a) dass die Kapazität des Filterkondensators (C2) im Bereich von 0,5 . S F bis 7 . S f , b) insbesondere, im Bereich von 1,5 5 F bis 3,5 S uf liegt, bezogen auf eine Spannung von 380 V, S = Scheinleistung der Antriebsmaschine in kVA.

Inventors: ZUERCHER, URS, Zürcher, Urs
Applicants: BBC BROWN BOVERI AG
Application year: 1986
Main classification: H02P7
IPC codes: H02P27