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Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung des Drehmomentes, insbesondere
des Kippmomentes, bei mit veränderlicher Frequenz gespeisten Asynchronmotoren, vorzugsweise
Käfiganker-Motoren In bestimmten Sonderfällen auf dem Gebiete der Antriebstechnik
ist es erforderlich, einen Asynchronmotor, insbesondere einen Käfiganker-Motor,
mit veränderlicher Frequenz zu betreiben, um den Anforderungen an das Belastungsmoment
Rechnung zu tragen. Ein solcher Fall liegt z. B. auf dem Gebiet der Gesteinsbohrtechnik
(Erdölbohrtechnik usw.) vor. In Abhängigkeit von der Härte des zu bohrenden Gesteins
ist unter entsprechender Berücksichtigung des Vorschubes die Drehzahl des den Bohrkopf
antreibenden Motors einzustellen.
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Es ist bekannt, den Motor in das Bohrgestänge einzubauen und mit dem
Bohrgestänge mit wachsender Tiefe des Bohrloches zu versenken. Der Bohrkopf sitzt
dementsprechend unmittelbar auf der Läuferwelle. Um Überlastungen des Motors und
Störungen des Betriebes zu vermeiden, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß
das Kippmoment unabhängig von der Frequenz, mit der der Ständer gerade erregt wird,
annähernd konstant bleibt. Das ist dann der Fall, wenn der magnetische Fluß im Luftspalt
des Motors konstant ist. Das Moment ist nämlich proportional dem vektoriellen Produkt
aus dem Strom und dem Fluß. Da der Motor mit dem höchstzulässigen Strom belastet
wird, ist der Fluß im Luftspalt ein Maß für das Moment.
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Es ist bekannt, daß die innere EMK bei geringer werdender Speisefrequenz
mehr als verhältnisgleich der Frequenz zurückgeht. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß der primäre ohmsche Spannungsabfall in absolut gleicher Höhe bestehenbleibt,
wenn sich die Frequenz ändert. Er macht bei niedriger Frequenz einen wesentlich
höheren Anteil der Netzspannung aus als bei der üblichen Frequenz von 50 Hz, wo
man ihn ohne großen Fehler vernachlässigen kann. Damit wird auch der Kraftfluß kleiner
als bei der Speisung mit höherer Frequenz und im gleichen Maß das Drehmoment.
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Man hat versucht, diesen Nachteil dadurch zu überwinden, daß man bei
kleiner Frequenz die Netzspannung wesentlich höher wählt, als dem Frequenzverhältnis
entspricht. Bei Leerlauf ist dann aber das Eisen der Maschine hoch gesättigt. Das
ist aber gerade für die eingangs erwähnten Anwendungsfälle (Antrieb von Bohrgeräten,
Tauchpumpen, Motoren in Rohrleitungen usw.) untragbar. Diese Motoren sind nämlich
meistens extrem lang. Da die hohe Sättigung im Leerlauf zwangläufig zu einem hohen
magnetischen Zug führt, besteht die Gefahr, daß der Läufer im Ständerblechpaket
schleift.
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Um das zu starke Absinken der EMK zu verhindern, könnte man daran
denken, den Fluß im Luftspalt zu messen und bei dem in Betracht kommenden Moment
den ermittelten Wert als Istwert der Regelgröße dem Regelkreis zuzuführen. Da aber
Flußmessungen häufig schwierig sind und in dem besonderen Fall des im Bohrloch unter
Umständen mehrere tausend Meter tief versenkten Motors nahezu unmöglich sind, wird
von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß der Luftspaltabfluß (p proportional dem Verhältnis
ist, wo UL die Luftspaltspannung und f die Frequenz ist. Es ist nämlich UL s;: 4,44.
- f - w - (p - 10-s worin w die aktive Windungszahl ist. Daraus folgt
hierin ist C eine Konstante.
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Die Luftspaltspannung UL lä.ßt sich nicht unmittelbar messen. Sie
ergibt sich nach dem Vektordiagramm gemäß F i g. 1 als vektorielle Differenz der
Generatorspannung und der Spannungsabfälle im Motorkreis. Hierbei besteht nun die
Schwierigkeit, daß infolge der mit größer werdender Tiefe des Bohrloches länger
werdenden Zuführungsleitungen der Spannungsabfall ständig größer wird.
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In dem Vektordiagramm nach F i g. 1 ist mit UG die frequenzproportionäle
Generatorspannung, mit UL die Luftspaltspannung, mit J der Strom, mit RMo der Widerstand
der Wicklungen des Motors, mit RK der veränderliche Widerstand des Zuführungskabels
und mit XMo der Streu-Blind-Widerstand der Wicklungen des Motors bezeichnet.
Aus
diesem Diagramm ist ersichtlich, daß sich UL bzw. eine UL proportionale Spannung
aus einer Spannungs- und einer Strommessung ermitteln läßt. Auch bei Vernachlässigung
des Streu-Blind-Widerstandes des Motors, der ja mit fallender. Frequenz kleiner
wird, ist die Messung genau genug.
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Wie oben erwähnt, ist die Aufgabe zu lösen, eine dem Verhältnis
proportionale Regelgröße zu schaffen. Dies kann beispielsweise in der Weise geschehen,
daß die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Drosselspule, deren
Scheinwiderstand groß gegen den erwähnten ohmschen Widerstand ist, gebildet wird,
und daß an diese Reihenschaltung die Spannung UL bzw. eine dieser proportionale
Spannung gelegt wird. Der in diesen Stromkreis fließende Strom ist dann proportional
Es ist nämlich bei Vernachlässigung der ohmschen Widerstände der Strom durch die
Induktivität
(u) = Kreisfrequenz, L = Induktivität).
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Da das Produkt 2zL konstant ist, ist i ein Maß für das Verhältnis-
und damit ein Maß für den das Drehmoment bestimmenden Fluß. Wird dieser Strom über
einen ohmschen Widerstand geleitet, so kann die an diesem Widerstand abfallende
Spannung als Maß für den Fluß im Luftspalt des Motors einer Regelschaltung zugeführt
werden.
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Bei der geschilderten Antriebsart ist nun, wie erwähnt, insofern eine
gewisse Schwierigkeit vorhanden, als es sich bei
= constans um die Luftspaltspannung des Motors handelt. Eine Spannungsmessung am
Anfang des Kabels würde ein falsches Bild ergeben, da mit tiefer werdendem Bohrloch
die ohmschen Widerstände des Stromzuführungskabels ansteigen. Mit tiefer werdendem
Bohrloch müssen ja immer weitere Kabelteilstücke angeschlossen werden. Es muß daher
diesem Umstand Rechnung getragen werden.
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Die Erfindung bezieht sich nun- auf eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung
des Drehmomentes, insbesondere des Kippmomentes, von mit veränderlicher Frequenz
gespeisten Asynchronmotoren, vorzugsweise Käfigankermotoren, bei der diese Motoren
im unteren Frequenzbereich derart mit größerem Verhältnis Klemmenspannung zu Frequenz
als im höheren Frequenzbereich betrieben werden, daß der von der Speisespannung
und dem Motorstrom unter Berücksichtigung der ohmschen und gegebenenfalls induktiven
Spannungsfälle abgeleitete Wert
= constans ist, wobei UL die Luftspaltspannung und f die Frequenz ist, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß zur Speisung der Motoren ein Synchrongenerator dient und
daß in einer Zuführungsleitung zu dem Motor ein Stromwandler angeordnet ist, dessen
Bürde aus einem ein Maß für die ohmschen Motor- und Zuleitungsverluste bildenden
einstellbaren Widerstand, vorzugsweise in Reihe mit einem dem ohmschen Widerstand
des Motors angepaßten, gegebenenfalls auch induktiven Widerstand, besteht, daß die
von dem Widerstand abgegriffene Spannung von der übersetzten Phasenspannung subtrahiert
wird, daß die Differenzspannung an die Reihenschaltung aus einer Induktivität und
einem ohmschen Widerstand, dessen Wert klein gegen die Indüktivität ist, geschaltet
ist und daß von dieseln Widerstand der zur Regelung erforderliche Istwert abgreifbar
ist, der als Zusatzerregerspannung mit einer konstanten Erregerspannung kombiniert
wird.
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Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der neuen Schaltungsanordnung.
Der Generator 1, der z. B. von einem Dieselmotor angetrieben ist, speist über die
Kabel 2, 3 und 4 den im Bohrloch unten am Bohrgestänge angeordneten Motor 5. Die
ohmschen Widerstände der Wicklung und des unter Umständen mehrere tausend Meter
langen Kabels sind mit 6, 7 und 8 schematisch dargestellt. Der Stromwandler
9 ist mit einer als regelbarer Widerstand 10
ausgebildeten Bürde belastet.
Die so gewonnene Spannung wird von der mittels des Transformators 15 übersetzten
Generator-Phasenspannung subtrahiert. Die übersetzungsverhältnisse und die Widerstände
müssen selbstverständlich so bemessen sein, daß die gewünschte Beziehung erzielt
wird. Die so erhaltene Spannung speist
die Reihenschaltung aus einer Induktivität 11 und einem ohmschen Widerstand 12,
wobei der Wert der Induktivität groß ist gegen die Widerstände des Kreises. Zur
Kontrolle kann der durch diesen Stromkreis fließende Strom am Amperemeter 13 abgelesen
werden. Ebenso ist ein Voltmeter 14 vorgesehen, das die an der Reihenschaltung abfallende
Spannung mißt.
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Da die ohmschen und induktiven Verluste des Motors praktisch konstant
sind, ist es zweckmäßig, den Widerstand 10 in einen festen und einen veränderlichen
Teil zu unterteilen, wobei der feste Teil den Motorverlusten entspricht. Der veränderliche
Teil, mit dem die Kabelverluste berücksichtigt werden, ist vorteilhaft entsprechend
der wachsenden Länge des Zuführungskabels abgestuft. Hierbei kann die Skalenplatte
des Widerstandes unmittelbar in Meter eingebautes Gestänge bzw. Kabellänge geeicht
sein. Gegebenenfalls kann der Widerstand 10 selbsttätig mit dem Gestängeeinbau verstellt
werden.
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Die am Widerstand 12 abfallende Spannung ist, da 12 ein ohmscher Widerstand
ist, ebenfalls ein Maß für dieses Verhältnis. Sie wird über einen Gleichrichter
16, beispielsweise einer Wicklung 17 einer Verstärkermaschine 18 zugeführt, deren
Wicklung 19 an einer konstanten Spannung liegt. Der Strom durch die Wicklung
19 kann mittels des Widerstandes 20
eingestellt werden. Die von der
Verstärkermaschine 18 erzeugte Spannung wird dem Erregerkreis 21 des
Generators 1 zugeführt.
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Da es mitunter schwierig sein kann, eine geeignete Stromquelle für
die Bildung des Sollwertes vorzusehen, kann in bekannter Weise die Anordnung so
getroffen werden, daß eine Regelung ohne Sollwertvorgabe stattfindet. Eine solche
Schaltung ist in der F i g. 3 beispielsweise dargestellt. Sie ist besonders wichtig
für Anlagen der eingangs beschriebenen Art, da auf Ölfeldern selten Fremdstrom zur
Verfügung steht.
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Der Istwert wird wieder wie in der F i g. 2 als Spannung von dem ohmschen
Widerstand 12, der im Sekundärkreis des Stromwandlers 9 der F i g. 2 liegt, abgenommen.
Diese Spannung wird einmal über einen Widerstand 25 und einen Gleichrichter 26 der
Erregerwicklung
27 zugeführt, ein zweites Mal über einen nichtlinearen Widerstand
30 der Erregerspule 29. Ein Gleichrichter 28 ist noch in diesem Teilkreis
vorgesehen. Infolge der unterschiedlichen Charakteristik dieser beiden Teilkreise
stellt sich ein quasi selbstgebildeter Sollwert ein.
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In den Ausführungsbeispielen ist im Regelkreis eine Verstärkermaschine
vorgesehen. Selbstverständlich können auch an Stelle der Verstärkermaschine magnetische
oder elektronische Verstärker eingesetzt werden.
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Die neue Anordnung gestattet eine Betriebskontrolle mittels des Amperemeters
13 und des Voltmeters 14. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, noch ein
Wattmeter 31 vorzusehen, dessen Strompfad von dem Stromwandler 32 gespeist wird.
Der Spannungspfad wird in gleicher Weise wie für das Voltmeter 14 von der über den
Transformator 15 gelieferten der Phasenspannung proportionalen Spannung gebildet.
Der Ausschlag des Wattmeters entspricht dem Motordrehmoment.
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Es sei noch bemerkt, daß die Schaltung auch so ausgeführt sein kann,
daß auch die induktiven Verluste mit berücksichtigt werden. Im allgemeinen wird
dies aber nicht erforderlich sein.