DE1203377B

DE1203377B - Circuit arrangement for keeping the torque constant, in particular the breakdown torque, in asynchronous motors, preferably Kaefiganker motors, fed with variable frequency

Info

Publication number: DE1203377B
Application number: DEA32638A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Gerhard Loocke
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1959-08-11
Filing date: 1959-08-11
Publication date: 1965-10-21

Description

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.Circuit arrangement for keeping the torque constant, in particular the breakdown torque, with asynchronous motors fed with variable frequency, preferably Squirrel cage motors In certain special cases in the field of drive technology it is necessary to use an asynchronous motor, especially a squirrel cage motor, operate with variable frequency to meet the requirements of the load torque To take into account. Such a case is e.g. B. in the field of rock drilling technology (Oil drilling technology, etc.). Depending on the hardness of the rock to be drilled is the speed of the drill head, taking into account the feed rate setting the driving motor.

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.It is known to install the motor in the drill pipe and with the To sink drill rods with increasing depth of the borehole. The drill head is seated accordingly directly on the rotor shaft. To overload the motor and To avoid disruptions in operation, it is necessary to ensure that the overturning moment regardless of the frequency with which the stator is currently being excited, remains approximately constant. That is the case when the magnetic flux is in the air gap of the motor is constant. Namely, the moment is proportional to the vector product from the stream and the river. Because the motor is loaded with the maximum permissible current the flow in the air gap is a measure of the moment.

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.It is known that the internal emf decreases as the supply frequency decreases decreases more than proportionately to the frequency. This is due to, that the primary ohmic voltage drop remains absolutely the same, when the frequency changes. It makes you essential at low frequency higher proportion of the mains voltage than at the usual frequency of 50 Hz, where you can neglect it without much mistake. This also reduces the power flow than with the supply with a higher frequency and to the same extent the torque.

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.Attempts have been made to overcome this disadvantage by using lower frequency selects the mains voltage much higher than the frequency ratio is equivalent to. When the machine is idling, however, the iron in the machine is highly saturated. That is, however, especially for the applications mentioned at the beginning (drive of drilling rigs, Submersible pumps, motors in pipelines, etc.) are unacceptable. Namely, these engines are mostly extremely long. Because the high saturation in idle inevitably leads to a high magnetic train leads, there is a risk that the rotor in the stator core grinds.

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.In order to prevent the EMF from dropping too much, one could think of measuring the flux in the air gap and, at the moment in question, supplying the determined value as the actual value of the controlled variable to the control loop. However, since flow measurements are often difficult and, in the special case of the motor sunk several thousand meters deep in the borehole, are almost impossible, use is made of the fact that the air gap discharge (p is proportional to the ratio is where UL is the air gap voltage and f is the frequency. Namely, it is UL s ;: 4.44. - f - w - (p - 10-s where w is the active number of turns. It follows here C is a constant.

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.The air gap voltage UL cannot be measured directly. she results from the vector diagram according to FIG. 1 as the vectorial difference of the Generator voltage and the voltage drops in the motor circuit. Here there is now the Difficulty that longer due to the increasing depth of the borehole As the supply lines become larger, the voltage drop is constantly increasing.

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.In the vector diagram according to FIG. 1 is the frequency proportional with UG Generator voltage, with UL the air gap voltage, with J the current, with RMo the resistance of the windings of the motor, with RK the variable resistance of the supply cable and XMo denotes the leakage reactive resistance of the windings of the motor. the end This diagram shows that UL or a voltage proportional to UL is can be determined from a voltage and a current measurement. Even with neglect of the stray-reactive resistance of the motor, which yes with falling. Frequency smaller the measurement is accurate enough.

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).As mentioned above, the task to be solved is one of the relationship to create proportional controlled variable. This can be done, for example, in such a way that the series connection of an ohmic resistor and a choke coil, the impedance of which is large compared to the ohmic resistance mentioned, is formed, and that the voltage UL or a voltage proportional to this is applied to this series connection. The current flowing into this circuit is then proportional If the ohmic resistances are neglected, it is the current through the inductance (u) = angular frequency, L = inductance).

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.Since the product 2zL is constant, i is a measure of the ratio and thus a measure of the flux that determines the torque. If this current is passed through an ohmic resistor, the voltage drop across this resistor can be fed to a control circuit as a measure of the flux in the air gap of the motor.

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.With the described type of drive, as mentioned, there is a certain difficulty to the extent that it is = constans is the air gap voltage of the motor. A voltage measurement at the beginning of the cable would give the wrong picture, since the ohmic resistance of the power supply cable increases as the borehole gets deeper. As the drill hole gets deeper, more and more cable sections have to be connected. This must therefore be taken into account.

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.The invention relates to a circuit arrangement for keeping the torque constant, in particular the breakdown torque, of variable frequency asynchronous motors, preferably squirrel cage motors, in which these motors are operated in the lower frequency range with a greater ratio of terminal voltage to frequency than in the higher frequency range that the value derived from the supply voltage and the motor current, taking into account the ohmic and possibly inductive voltage drops = constans, where UL is the air gap voltage and f is the frequency, which is characterized in that a synchronous generator is used to supply the motors and that a current transformer is arranged in a supply line to the motor, the burden of which is a measure for the ohmic motor - and supply line losses forming adjustable resistor, preferably in series with a resistor adapted to the ohmic resistance of the motor, optionally also inductive resistor, that the voltage tapped by the resistor is subtracted from the translated phase voltage, that the differential voltage to the series circuit of an inductance and an ohmic resistor, the value of which is small compared to the inductance, and that the actual value required for regulation can be tapped from the diesel resistor, which is combined as an additional excitation voltage with a constant excitation voltage.

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.The F i g. 2 shows an exemplary embodiment of the new circuit arrangement. The generator 1, the z. B. is driven by a diesel engine, feeds via the cables 2, 3 and 4 to the motor 5 arranged in the borehole at the bottom of the drill pipe . The current transformer 9 is loaded with a burden designed as a controllable resistor 10. The voltage thus obtained is subtracted from the generator phase voltage translated by means of the transformer 15. The transmission ratios and the resistances must of course be dimensioned in such a way that the desired relationship is achieved. The voltage thus obtained feeds the series connection of an inductance 11 and an ohmic resistor 12, the value of the inductance being large compared to the resistances of the circuit. The current flowing through this circuit can be read on the ammeter 13 for control purposes. A voltmeter 14 is also provided which measures the voltage drop across the series circuit.

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.Because the ohmic and inductive losses of the motor are practically constant are, it is useful to set the resistor 10 in a fixed and a variable Part to subdivide, with the fixed part corresponding to the engine losses. The changeable one Part with which the cable losses are taken into account is advantageous accordingly the increasing length of the feeder cable. Here, the scale plate of the resistance directly calibrated in meters of built-in rods or cable length be. If necessary, the resistor 10 can be adjusted automatically with the linkage installation will.

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.The voltage drop across resistor 12 is, since 12 is an ohmic resistor, also a measure of this ratio. It is fed via a rectifier 16, for example a winding 17, to an amplifier machine 18, the winding 19 of which is at a constant voltage. The current through the winding 19 can be adjusted by means of the resistor 20. The voltage generated by the amplifier machine 18 is fed to the excitation circuit 21 of the generator 1.

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.As it can sometimes be difficult to find a suitable power source for To provide for the formation of the setpoint, the arrangement can in a known manner be made that a regulation takes place without a setpoint specification. Such Circuit is shown in FIG. 3 shown for example. It is especially important for systems of the type described at the beginning, since external power is rarely used in oil fields Available.

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.The actual value is again as in FIG. 2 as the voltage from the ohmic resistor 12, which is in the secondary circuit of the current transformer 9 of FIG. 2 is removed. This voltage is fed once to the excitation winding 27 via a resistor 25 and a rectifier 26, and a second time via a non-linear resistor 30 to the excitation coil 29. A rectifier 28 is also provided in this pitch circle. As a result of the different characteristics of these two partial circles, an almost self-generated setpoint is set.

In den Ausführungsbeispielen ist im Regelkreis eine Verstärkermaschine vorgesehen. Selbstverständlich können auch an Stelle der Verstärkermaschine magnetische oder elektronische Verstärker eingesetzt werden.In the exemplary embodiments, an amplifier machine is in the control loop intended. Of course, magnetic ones can also be used instead of the amplifier machine or electronic amplifiers are used.

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.The new arrangement permits operational control by means of the ammeter 13 and the voltmeter 14. In addition, it is expedient to provide a wattmeter 31, the current path of which is fed by the current transformer 32. The voltage path is formed in the same way as for the voltmeter 14 from the voltage which is proportional to the phase voltage and is supplied via the transformer 15. The reading of the wattmeter corresponds to the motor torque.

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.It should also be noted that the circuit can also be designed that inductive losses are also taken into account. Generally will but this may not be necessary.

Claims

Claims: 1. Circuit arrangement for keeping the torque constant, in particular the breakdown torque, of variable frequency fed asynchronous motors, preferably squirrel cage motors, in which these motors are operated in the lower frequency range with a greater ratio of terminal voltage to frequency than in the higher frequency range that the value derived from the supply voltage and the motor current, taking into account the ohmic and possibly inductive voltage drops - where UZ is the air gap voltage and f is the frequency, characterized in that a synchronous generator (1) is used to feed the motors and that a current transformer (9) is arranged in a supply line to the motor, the burden of which is a measure of the ohmic motor - and supply line losses forming adjustable resistor (10), preferably in series with a resistor adapted to the ohmic resistance of the motor, optionally also inductive, consists that the voltage tapped by the resistor (10) is subtracted from the translated phase voltage, that the difference voltage on the series connection of an inductance (11) and an ohmic resistor (12), the value of which is small compared to the inductance, is connected and that the actual value required for regulation can be tapped from this resistor, which is combined as an additional excitation voltage with a constant excitation voltage (setpoint) will.

2. Circuit arrangement according to claim 1 for a motor built into a drill string, which is sunk with the drill string into the borehole, characterized in that the resistor (10) is graduated according to the partial lengths of the cable connected with increasing depth of the borehole.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the scale plate of the resistor (10) is calibrated directly in meter rods or in cable lengths.

4. Circuit arrangement according to claims 2 or 3, characterized in that the controllable resistor (10) is automatically adjustable with the linkage installation.

5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that for delivery a constant, adjustable voltage is used for the setpoint.

6. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in a manner known per se the setpoint value is generated in such a way that the voltage drop across the resistor (12) and used for regulation is via a resistor (25) and a rectifier (26) of the one Excitation winding (27) of an amplifier machine (18) feeding the excitation winding of the generator and rectified parallel thereto via a directional linear resistor (30) to a further excitation winding (29) of the amplifier machine (18) . Considered publications: German Patent Nos. 532 318, 621133, 634 338; ETZ, 1933, pp. 793 to 796; EuM, 1909, p. 357 ff .; Siemens Zeitschrift, 1956, pp. 42, 43; Deutsche Elektrotechnik, February 1959, p. 50; AEG-Mitteilungen, 1956, p. 252; Bödefeld &sequence, »Electrical Machines«, 1949, p. 197.