DE1227137B

DE1227137B - Circuit arrangement for setting and keeping constant the breakdown torque of an asynchronous motor fed with a variable frequency

Info

Publication number: DE1227137B
Application number: DEA33608A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Gerhard Loocke
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1959-12-28
Filing date: 1959-12-28
Publication date: 1966-10-20

Description

Schaltungsanordnung zur Einstellung und Konstanthaltung des Kippmoments eines mit veränderbarer Frequenz gespeisten Asynchronmotors In bestimmten Sonderfällen auf dem Gebiete der Antriebstechnik ist es erforderlich, einen Asynehronmotor, insbesondere einen Käfigankermotor, 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 Vorschubs die Drehzahl des den Bohrkopf antreibenden Motors einzustellen. In diesen Fällen sind - ebenso wie bei Käfigläufermotoren mit extrem hohen ohmschen Widerständen im Ständerkreis bereits bei höheren Frequenzen - die ohmschen Widerstände vor allem bei niedrigen Frequenzen nicht zu vernachlässigen.Circuit arrangement for setting and keeping constant the breakdown torque of an asynchronous motor fed with a variable frequency In certain special cases in the field of drive technology, it is necessary to operate an asynchronous motor, in particular a squirrel cage motor, with a variable frequency in order to meet the requirements of the load torque. Such a case is e.g. B. in the field of rock drilling technology (petroleum drilling technology, etc.). Depending on the hardness of the rock to be drilled, the speed of the motor driving the drill head must be set, taking into account the feed rate. In these cases - as with squirrel cage motors with extremely high ohmic resistances in the stator circuit even at higher frequencies - the ohmic resistances, especially at low frequencies, should not be neglected.

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. Dieses Kippraoment muß auch einstellbar sein, da bei unterschiedlichen Gesteinsarten und verschieden ausgebildeten Meißeln unterschiedliche Beanspruchungen der zur mechanischen übertragung der Antriebskraft dienenden Antriebsteile (Wellen, Kupplungen usw.) auftreten können, die das zulässige Maß übersteigen und zur Zerstörung dieser Teile führen können, obgleich der Motor elektrisch nicht überlastet wird.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. This Kippraoment must also be adjustable because at different types of rock and differently trained chisels different Stresses on the drive parts used for the mechanical transmission of the drive force (Shafts, couplings, etc.) that exceed the permissible dimension and can lead to the destruction of these parts, although the motor is not electrically overloaded will.

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 Elz, '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 more than in proportion to the frequency as the supply frequency decreases. This is due to the fact that the primary ohmic voltage drop remains in the same amount when the frequency changes. At a low frequency it makes up a significantly higher proportion of the mains voltage than at the usual frequency of 50 Elz, where it can be neglected without major errors. This means that the flow of force is also smaller than with the supply with a higher frequency and the torque is to the same extent.

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 Anwendungs,-fälle (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 choosing the line voltage significantly higher than the frequency ratio at a low frequency. When the machine is idling, however, the iron in the machine is highly saturated. But that is just - for the above-mentioned application cases (drive of drilling equipment, submersible pumps, motors in pipelines, etc.) unsustainable. These motors are usually extremely long. Since the high saturation in no-load operation inevitably leads to a high magnetic tension, there is a risk that the rotor will drag in the stator core.

Gemäß der Erfindung werden die Einstellung und Konstanthaltung des Kippmoments eines von einem Synchrongenerator mit einer Spannung veränderbarer Frequenz gespeisten Asynchronmotors, vorzugsweise Käfigankermotors, bei dem die Konstanthaltung des jeweils eingestellten Kippmoments durch selbsttätige Vergrößerung des Verhältnisses Klemmenspannung zu Frequenz mit sinkender Frequenz unter Berücksichtigung der das Drehmoment beeinflussenden Spannungsabfälle in den Wicklungen und Zuleitungen erfolgt, dadurch erreicht, daß in einer Zuführungsleitung zum Motor ein Stromwandler vorgesehen ist, in dessen Sekundärkreis als Bürde ein das Maß für die ohmschen Motor- und Zuleitungsverluste bildender ohmscher Widerstand angeordnet ist, und daß sich die von dieser Bürde abgegriffene, dem Motorstrom proportionale Spannung von der übersetzten Phasenspannung geometrisch subtrahiert, daß ein zweiter in die Zuführungsleitung zu dem Motor geschalteter Stromwandler in seinem Sekundärkreis eine induktive Bürde aufweist, der an dieser Bürde auftretende, dem Motorstrom proportionale induktive Spannungsabfall sich geometrisch zu der Differenzspannung aus der übersetzten Phasenspannung und der Spannung an der ohrnschen Bürde des ersten Stromwandlers addiert und die derart gebildete Summenspannung an einer Reihenschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Widerstand, dessen Wert klein gegen die Induktivität ist, lieg daß der von diesem Widerstand zur Regelung auf konstantes Kippmoment des Motors als Spannung abgreifbare Istwert einer den Sollwert bildenden Spannung zugeordnet ist und daß die Soll-Ist-Wertdifferenz zur Steuerung der Erregung des den Motor speisenden Generators dient.According to the invention, the setting and keeping constant of the tilting torque of an asynchronous motor, preferably a squirrel cage armature motor, fed by a synchronous generator with a voltage of variable frequency, in which the respective set tilting torque is kept constant by automatically increasing the ratio of terminal voltage to frequency with decreasing frequency, taking into account the torque influencing Voltage drops in the windings and supply lines are achieved in that a current transformer is provided in a supply line to the motor, in the secondary circuit of which there is an ohmic resistance forming the measure for the ohmic motor and supply line losses as a burden, and that the resistance from this burden tapped voltage proportional to the motor current is geometrically subtracted from the translated phase voltage so that a second current transformer connected to the supply line to the motor carries an inductive load in its secondary circuit has, the inductive voltage drop that occurs at this load and is proportional to the motor current is added geometrically to the differential voltage from the translated phase voltage and the voltage at the Ohrn load of the first current transformer and the sum voltage thus formed at a series circuit of an inductance and an ohmic resistor, its If the value is small compared to the inductance, the actual value, which can be tapped off as voltage by this resistor to control the motor's constant breakdown torque, is assigned to a voltage forming the nominal value and that the nominal-actual value difference is used to control the excitation of the generator feeding the motor.

An Hand der Figuren soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.The idea on which the invention is based is intended to be based on the figures are explained in more detail.

F i g. 1 a zeigt das Ersatzschaltbild des Motors, F i g. 1 b die Definition der Regelgröße U" in Ersatzschaltung, F i g. 2 ein Vektordiagramm, F i g. 3 ein Beispiel der Schaltungsanordnung selbst.F i g. 1 a shows the equivalent circuit diagram of the motor, FIG. 1 b the definition of the controlled variable U "in an equivalent circuit, FIG. 2 a vector diagram, FIG. 3 an example of the circuit arrangement itself.

In Fig. laist mit G der gestrichelt dargestellte Generator bezeichnet, der an die Klemmen R und S die Spannung veränderlicher Frequenz Uc, liefert. Der ohmsche Widerstand RK entspricht dem Widerstand des Kabels, der im Falle eines in ein Bohrloch versenkten'Motors mit tiefer werdendem Bohrloch größer wird, also nicht konstant bleibt. Mit Ri ist der Ständerwiderstand, mit Xi die primäre Streureaktanz, mit X2 die sekundäre Streureaktanz, mit X" die Magnetisierungsreaktanz (Luftspaltreaktanz), mit UL die Luftspalt-El#IK und mit der Quotient aus Läuferwiderstand und Schlupf bezeichnet.In Fig. Lais G denotes the generator shown in dashed lines, which supplies the voltage of variable frequency Uc to the terminals R and S. The ohmic resistance RK corresponds to the resistance of the cable, which in the case of a motor sunk into a borehole increases as the borehole becomes deeper, that is to say does not remain constant. With Ri is the stator resistance, with Xi the primary leakage reactance, with X2 the secondary leakage reactance, with X " the magnetization reactance (air gap reactance), with UL the air gap El # IK and with denotes the quotient of rotor resistance and slip.

In F i g. 1 b ist mit X, eine fiktive zusätzliche Induktivität bezeichnet, deren Bedeutung noch näher erläutert werden soll. Vor dieser primären Induktivität liegt die fiktive Spannung Ull An sich müßte X, zwischen Ri und Xi sowie U, dann zwischen R, und X., einerseits und der zur Klemme S führenden Leitung andererseits in das in F i g. la gezeigte Ersatzschaltbild eingefügt werden. Da sich jedoch die fiktiven Größen X, und U, nicht ohne weiteres in der üblichen Ersatzschaltung der Asynchronmaschine darstellen lassen, wird eine getrennte Darstellung gemäß F i g. 1 a und 1 b gewählt.In Fig. 1 b is denoted by X, a fictitious additional inductance, the meaning of which will be explained in more detail. Prior to this primary inductance of the fictitious voltage Ull is in itself would have X, between Ri and Xi and U, then between R and X, on the one hand, and leading to the terminal S in the line on the other hand in F i g. la shown equivalent circuit are inserted. However, since the fictitious quantities X, and U, cannot easily be represented in the usual equivalent circuit of the asynchronous machine, a separate representation according to FIG. 1 a and 1 b chosen.

Die vor der fiktiven primären Induktivität X, liegende fiktive Spannung U, ist ein Maß für das Kippmoment. Da sich Ul aber weder am Motor selbst noch an irgendeiner anderen Stelle des Drehstromkreises abgreifen läßt, muß diese Größe in einem Meßkreis nachgebildet werden. Durch Verändern der Induktivität X, kann die Spannung U, und damit das Kippmoment verändert werden, jedoch sorgt die Regeleinrichtung dafür, daß das jeweils eingestellte Kippinoment für den betreffenden Arbeitsvorgang konstant bleibt. Es sei in diesem Zu-sammenhang bemerkt, daß in Wirklichkeit X., gar nicht vorhanden ist, sondern nur durch eine stromabhängige Spannung, die um 90' gegen den Strom im Sinne eines induktiven Spannungsabfalls verdreht ist, vorgetäuscht wird.The fictitious voltage U lying in front of the fictitious primary inductance X, is a measure of the breakdown torque. However, since Ul cannot be tapped either on the motor itself or at any other point in the three-phase circuit, this variable must be reproduced in a measuring circuit. By changing the inductance X, the voltage U, and thus the breakdown torque, can be changed, but the control device ensures that the breakdown torque set in each case remains constant for the relevant work process. It should be noted in this connection connexion that in reality X, does not exist, but only by a current-dependent voltage which is rotated by 90 'against the current in the sense of an inductive voltage drop is simulated.

Das VektordiagraTnm nach F i g. 2 läßt die Entstehung der fiktiven Spannung U, erkennen. Die Generatorspannung ist mit UG, die Luftspalt-EMK Mit UL, der Strom- mit J, der induktive Spannungsabfall in der Streureaktanz X" der auf dem Strom -1 senkrecht steht, mit J - X., der gesamte. ohmsche Spannungsabfall mit J - R bezeichnet. Die als Istwert für die Regelung dienende Spannung Ul wird, wie aus dein Diagramm ersichtlich ist, so gebildet, daß zunächst von der Gdneratorspannung UG der ohmsche Spannungsabfall J - R subtrahiert wird. Dazu wird dann der induktive, Spannungsabfall J - X., an der fiktiven zusätzlichen Reaktanz X, addiert. Es läßt sich nachweisen, daß diese Spannung U, ein Maß für das Kippmoment ist.The vector diagram Tnm according to FIG . 2 shows the origin of the fictitious voltage U 1. The generator voltage is with UG, the air gap EMF with UL, the current with J, the inductive voltage drop in the leakage reactance X "which is perpendicular to the current -1, with J - X., the entire ohmic voltage drop with J - R. The voltage Ul serving as the actual value for the regulation is, as can be seen from the diagram , formed in such a way that the ohmic voltage drop J - R is first subtracted from the generator voltage UG. For this purpose, the inductive voltage drop J - X. , added to the fictitious additional reactance X. It can be demonstrated that this voltage U, is a measure of the breakdown torque.

Diese zusätzliche fiktive Reaktanz wird durch einen im Motorstromkreis liegenden Stromwandler, der mit einer induktiven Bürde belastet ist, gebilde4 wobei zur Einstellung des Kippmoments diese induktive Bürde einstellbar gemacht wird.This additional fictitious reactance is caused by an in the motor circuit lying current transformer, which is loaded with an inductive burden, formed4 whereby this inductive burden is made adjustable to adjust the breakdown torque.

Die F i g. 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel der neuen Schaltungsanordnung. Der Generator G, der z. B. von einem in der Drehzahl regelbaren Dieselmotor angetrieben wird, speist über die Kabel 1, 2 und 3 den im Bohrloch unten im Bohrgestänge angeordneten Motor M. Die ohmschen Widerstände der Wicklung und des unter Umständen mehrere tausend Meter langen Kabels sind mit 4, 5 und 6 bezeichnet. Der Stromwandler 7 ist mit einer als regelbarer Widerstand 8 ausgebildeten Bürde belastet. Der Stromwandler 9 ist mit einer ebenfalls einstellbaren, jedoch induktiven Bürde 10 belastet. Die Kreuzung der Leitungen soll andeuten, daß die Spannung am Widerstand 8 von UG subtrahiert und die Spannung an der Bürde 10 zu Uc, addiert wird. über den Transformator 11 wird die Phasenspannung des Generators G in den Kreis, der die Bürden 8 und 10 enthält, transformiert. Auf diese Weise wird an den Klemmen r und s die als Istwert für die Regelung dienende Spannung U, gebildet. Diese Spannung setzt sich also, wie auch aus dem Vektordiagramm ersichtlich ist, aus der transformierten Generatorspannung UC" dem Spannungsabfall J - R an der Bürde 8 und dem Spannungsabfall J - X# an der Bürde 10 zusammen.The F i g. 3 now shows an exemplary embodiment of the new circuit arrangement. The generator G, the z. B. is driven by a controllable in rotational speed diesel engine, fed through the cables 1, 2 and 3, the disposed downhole in the drill string motor M. If the ohmic resistance of the winding and of the long may be several thousand meters of cable 4, 5 and 6 denotes. The current transformer 7 is loaded with a load designed as a controllable resistor 8. The current transformer 9 is loaded with an also adjustable, but inductive burden 10. The crossing of the lines should indicate that the voltage at resistor 8 is subtracted from UG and the voltage at load 10 is added to Uc. Via the transformer 11 , the phase voltage of the generator G is transformed into the circuit containing the burdens 8 and 10 . In this way, the voltage U, serving as the actual value for the regulation, is formed at the terminals r and s. As can also be seen from the vector diagram, this voltage is thus composed of the transformed generator voltage UC ″, the voltage drop J - R at the load 8 and the voltage drop J - X # at the load 10 .

Es sei noch bemerkt, daß es zweckmäßigist, den Widerstand 8 in einen festen und einen veränderliehen Teil zu unterteilen, da die ohmschen Verluste des Motors praktisch konstant sind. Der feste Teil entspricht dann diesen Verlusten. Der veränderliche Teil berücksichtigt den mit steigender Kabellänge ansteigenden Widerstand der Zuführungsleitungen.It should also be noted that it is useful to divide the resistor 8 into a fixed and a variable part, since the ohmic losses of the motor are practically constant. The fixed part then corresponds to these losses. The variable part takes into account the resistance of the supply lines, which increases with increasing cable length.

Die Spannung Ul wird nun an die Reihenschaltung aus einer Induktivität X", und einem ohmschen Widerstand R., dessen Wert klein gegen die Induktivität ist, geschaltet. Die am Widerstand R. abfallende Spannung ist ein Maß für den Quotienten Die Vorschaltung der großen Induktivität X. hat die Wirkung, daß die am Widerstand R" abfallende Spannung von der Frequenz unabhängig wird, so daß also in der Tat stets das einmal eingestellte Kippmoment vorhanden ist, unabhängig davon, welche Frequenz der Generator G liefert.The voltage Ul is now connected to the series circuit of an inductance X "and an ohmic resistor R., the value of which is small compared to the inductance. The voltage drop across the resistor R. is a measure of the quotient The upstream connection of the large inductance X. has the effect that the voltage dropping across the resistor R ″ becomes independent of the frequency, so that the breakdown torque that has been set is always present, regardless of which frequency the generator G supplies.

Der am Widerstand R. stehende Istwert 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 G zugeführt.The actual value at the resistor R. 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 G.

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. In diesem Fall wird das Spannungsnormal durch ein Widerstandsnormal ersetzt; dabei wird der Arbeitspunkt der Regelung durch den Schnittpunkt der Kennlinien eines linearen und eines. nichtlinearen Gliedes festgelegt. Eine solche Schaltung ist in der Fig. 4 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. In this In this case, the voltage standard is replaced by a resistance standard; thereby the Working point of the control through the intersection of the characteristics of a linear and one. non-linear term set. One such circuit is shown in FIG. 4, for example. It is particularly important for plants of the type described at the outset, as external electricity is rarely available on oil fields stands.

Wie F i g. 4 zeigt, ist die Verstärkermaschine 18 - wie in F i g. 3 - mit Differenzerregung ausgerüstet. Sowohl die Sollwertwicklung 27 als auch die Istwertwicklung 29 werden von der am Widerstand R. abgegriffenen Spannung über Gleichrichter 26 bzw. 28 gespeist. Der Wicklung 27 ist ein gewöhnlicher ohmscher Widerstand 25, der Wicklung 29 ein nichtlinearer Widerstand 30 vorgeschaltet, dessen Widerstandswert mit steigendem Strom abnimmt. Während der Strom in der Wicklung 27 der angelegten Spannung proportional ist, steigt der Strom in der Wicklung 29 stärker als proportional mit der angelegten Spannung. Infolge der unterschiedlichen Charakteristik dieser beiden Teilkreise stellt sich ein quasi selbstgebildeter Sollwert ein.Like F i g. 4 shows, the booster engine 18 is - as in FIG. 3 - equipped with differential excitation. Both the setpoint winding 27 and the actual value winding 29 are fed by the voltage tapped at the resistor R. via rectifiers 26 and 28 , respectively. The winding 27 is preceded by a conventional ohmic resistor 25, and the winding 29 is preceded by a non-linear resistor 30 , the resistance value of which decreases as the current increases. While the current in winding 27 is proportional to the applied voltage, the current in winding 29 increases more than proportionally with the applied voltage. As a result of the different characteristics of these two partial circles, an almost self-generated setpoint is set.

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

Claims

Claims: 1. Circuit arrangement for setting and keeping constant the breakdown torque of an asynchronous motor, preferably a squirrel cage motor, fed by a synchronous generator with a voltage variable frequency, in which the respective set breakdown torque is kept constant by automatically increasing the ratio of terminal voltage to frequency with decreasing frequency, taking into account the torque influencing voltage drops in the windings and supply lines, characterized in that a current transformer (7) is provided in a supply line to the motor (M), in the secondary circuit of which there is an ohmic resistance (8) as a burden which forms the measure for the ohmic motor and supply line losses is arranged, and that the voltage tapped from this burden, proportional to the motor current, is geometrically subtracted from the translated phase voltage, that a second current transformer (9) connected in the supply line to the motor is in its Secondary circuit has an inductive burden (10) , the inductive voltage drop that occurs at this burden and is proportional to the motor current is added geometrically to the differential voltage from the translated phase voltage and the voltage at the ohmic burden (8) of the first current transformer (7) and the so formed Total voltage at a series circuit of an inductance (X.) and an ohmic resistor (R.), the value of which is small compared to the inductance, is that the actual value that can be tapped off as a voltage by this resistor to control the constant breakdown torque of the motor is a value forming the setpoint Voltage is assigned and that the target-actual value difference is used to control the excitation of the generator (G) feeding the motor (M).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the ohmic resistor (8) serving as the burden of the current transformer (7) is adjustable. 3. Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the inductance (10) serving as the burden of the current transformer (9) can be changed for setting the breakdown torque. 4. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the setpoint is self-generated in such a way that the voltage tapped at the resistor (R.) and used for regulation is via an ohmic resistor (25) and a rectifier (26) of the one excitation winding (27 ) an amplifier machine (18) feeding the excitation winding of the generator and rectified parallel thereto via a non-linear resistor (30) to a further excitation winding (29) of the amplifier machine (18) . Publications considered: Elektrotechnik und Maschinenbau, 1909, p. 359; ETZ, 1933, pp. 793 to 796.