DE3046164A1 - Speed variation of asynchronous motor direct connected to generator - by changing generator speed whilst maintaining constant voltage to frequency ratios - Google Patents
Speed variation of asynchronous motor direct connected to generator - by changing generator speed whilst maintaining constant voltage to frequency ratiosInfo
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Abstract
Description
Bezeichnung: Verfahren zur Änderung der Drehzahl einesName: Procedure for changing the speed of a
elektrischen Antriebes und elektrischer Antrieb zur Durchführung des Verfahrens Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Drehzahl eines elektrischen Antriebes, der im wesentlichen aus einer Verbrennungskraftmaschine mit Drehstromgenerator und wenigstens einem Elektromotor besteht. electric drive and electric drive for implementation of the method description: The invention relates to a method for changing the Speed of an electric drive, which essentially consists of an internal combustion engine with a three-phase generator and at least one electric motor.
Bis in die jüngste Zeit wurden sogenannte dieselelektrische Antriebe wegen der einfacheren Regelbarkeit von Gleichstrommotoren in Gleichstromtechnik ausgeführt.Until recently, so-called diesel-electric drives were used because of the easier controllability of direct current motors in direct current technology executed.
Mit der Entwicklung moderner elektronische-r Bauteile, die es gestatten, auch hohe Leistungen zu übertragen, hat man sowohl für Fahrzeuge als auch für den stationären Einsatz dieselelektrische Antriebe in Drehstromtechnik ausgeführt, da die Drehstromtechnik es erlaubt, sogenannte Käfigläufermotoren einzusetzen, die im Vergleich zu Gleichstrommotoren praktisch wartungsfrei sind. Eine Veränderung der Drehzahl, sei es im Rahmen einer Steuerung, sei es im Rahmen einer Regelung, verlangte jedoch bisher den Einsatz von statischen Drehstrom-Wechselrichtern, die es erst gestatteten, eine Änderung der Drehzahl des Elektromotors bis nahe Null vorzunehmen.With the development of modern electronic components that allow You have to transmit high power both for vehicles and for the stationary use of diesel-electric drives in three-phase technology, since the three-phase current technology makes it possible to use so-called squirrel cage motors that Practically maintenance-free compared to DC motors are. A change in the speed, be it within the framework of a control, be it within the framework regulation, but previously required the use of static three-phase inverters, which only allowed a change in the speed of the electric motor to almost zero to undertake.
Bei Eisenbahnlokomotiven oder auch bei stationären Antriebsaggregaten über Tage spielen das Gewicht keine und der Platzbedarf eines derartigen Aggregates nur eine untergeordnete Rolle, so daß hier der zusätzliche Aufwand eines statischen Drehstrom-Wechselrichters praktisch nicht ins Gewicht fällt.With railway locomotives or with stationary drive units above days, the weight and the space requirements of such a unit play no role only a subordinate role, so here the additional overhead of a static Three-phase inverter is practically insignificant.
Anders ist dagegen die Situation für den Untertagebetrieb. Aus Gründen des Explosionsschutzes, den erhöhten Anforderungen an Wartungsfreiheit und erheblich reduzierten Lichtraumprofilen bei stark reduzierten zulässigen Fahrzeuglängen läßt sich weder ein dieselelektrischer Antrieb in Gleichstromtechnik noch der in der Praxis bisher verwendete Antrieb in Drehstromtechnik mit statischem Drehstrom-Wechselrichter mit vertretbarem Aufwand und Erfolg einsetzen.On the other hand, the situation is different for underground operations. For reasons of explosion protection, the increased requirements for freedom from maintenance and considerably reduced clearance profiles with greatly reduced permissible vehicle lengths neither a diesel-electric drive in direct current technology nor that in the Drive in three-phase technology with static three-phase current inverter used in practice up to now Use it with reasonable effort and success.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Änderung der Drehzahl eines elektrischen Antriebes zu schaffen, das einerseits die Ausnutzung der Vorteile der Drehstromtechnik gestattet, das jedoch andererseits gegenüber dem bisher bekannten Verfahren durch den Wegfall des Wechselrichters einen wesentlich geringeren Platzbedarf aufweist und daher bevorzugt für den Einsatz im Betrieb unter Tage, sei es als Fahrzeugantrieb, sei es als stationärer Antrieb, geeignet ist.The invention is now based on the object of a method for changing the speed of an electric drive to create the one hand the utilization the Advantages of three-phase technology are permitted, but on the other hand compared to the previous one known methods due to the omission of the inverter a much smaller one Requires space and is therefore preferred for use in underground operations, be it as a vehicle drive, be it as a stationary drive.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der als Asynchronmotor ausgebildete Elektromotor unmittelbar durch den Generator gespeist wird und daß zur Änderung seiner Drehzahl neben der Frequenz auch die Spannung des vom Generator erzeugten Stromes verändert wird, und zwar so, daß das Verhältnis Spannung/Frequenz konstant bleibt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch den Wegfall des aufwendigen Wechselrichters sowohl das Gewicht als auch das Bauvolumen eines derartigen Antriebsaggregates reduziert ist und daß der Elektromotor bei jeder eingestellten Drehzahl im günstigsten Drehmomentpunkt seiner Drehmomentkennlinie arbeitet. Die Einsparung an Platzbedarf und an Gewicht ist insbesondere für den Einsatz eines derartigen Antriebsaggregates unter Tage von Bedeutung, wenn die Anordnung explosionsgeschützt ausgeführt werden muß, wie dies bei Lokomotiven, Triebwagen oder Zugaggregaten von Flur- oder Hängebahnen der Fall ist.The object is achieved according to the invention in that the asynchronous motor trained electric motor is fed directly by the generator and that to change its speed not only the frequency but also the voltage of the generator generated current is changed, in such a way that the ratio voltage / frequency remains constant. This method has the advantage that by eliminating the complex Inverter both the weight and the volume of such a drive unit is reduced and that the electric motor is most favorable at each set speed Torque point of its torque characteristic is working. The saving in space requirements and weight is particularly important for the use of such a drive unit Significant underground if the arrangement is carried out in an explosion-proof manner must, as is the case with locomotives, railcars or traction units for floor or overhead railways the case is.
Zwischen dem Generator und dem als Antriebsmotor dienen- den Elektromotor sind lediglich die üblichen Schutzeinrichtungen und Drehrichtungsumkehrschütze angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es ferner, mehrere Elektromotore als Antriebsmotore parallel zu betreiben, so daß bei mehrachsigen Fahrzeugen, die gleislos oder gleisgebunden sein können, Einzelantriebe vorgesehen werden können.Between the generator and the drive motor the Electric motors are only the usual protective devices and reversing contactors arranged. The method according to the invention also allows several electric motors as drive motors to operate in parallel, so that in multi-axle vehicles that Can be trackless or track-bound, individual drives can be provided.
Die Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Antrieb mit veränderbarer Drehzahl, bestehend im wesentlichen aus einer Verbrennungskraftmaschine mit Drehstromgenerator und wenigstens einem Elektromotor. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, daß der als Asynchronmotor ausgebildete Elektromotor unmittelbar vom Generator gespeist ist und daß eine Einrichtung zur Änderung der Generatordrehzahl vorgesehen ist und eine Einrichtung zur Regelung der Generatorspannung vorgesehen ist, durch die das Verhältnis Spannung/Frequenz konstant gehalten wird. Ein derartiger Antrieb, der im Untertagebetrieb vorzugsweise mit: einem Dieselmotor als Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, ermöglicht es , innerhalb vorgegebener Grenzen den vorzugsweise als Käfigläufermotor ausgebildeten Asynchronmotor in seiner Drehzahl so zu regeln, daß er dann unabhängig von der Versorgungsspannung mit der gleichen magnetischen Induktion und bei jeder Nenndrehzahl entsprechend der jeweiligen Frequenz auf der gleichen Drehmomentkennlinie arbeitet.The invention also relates to an electric drive with a variable Speed, consisting essentially of an internal combustion engine with a three-phase generator and at least one electric motor. According to the invention it is provided here that the an asynchronous motor designed as an electric motor fed directly from the generator is and that a device for changing the generator speed is provided and a device for regulating the generator voltage is provided through which the Voltage / frequency ratio is kept constant. Such a drive, the in underground operation preferably with: a diesel engine as an internal combustion engine is operated, it allows the preferred within predetermined limits Asynchronous motor designed as a squirrel cage motor to regulate its speed in such a way that that he then independent of the supply voltage with the same magnetic Induction and at each nominal speed according to the respective frequency on the same torque characteristic works.
Da die für eine Änderung der Drehzahl erforderliche Änderung der Frequenz des erzeugten Drehstromes über eine Veränderung der Generatordrehzahl erfolgt, andererseits der vorzugsweise als Generatorantrieb verwendete Dieselmotor bei wirtschaftlichem Betrieb nur innerhalb verhältnismäßig geringer Grenzen in seiner Drehzahl verändert werden kann, ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Generator ein Getriebe mit veränderbarem Ubersetzungsverhältnis angeordnet ist. Dieses Getriebe kann ein stufenweise schaltbares Getriebe oder aber auch ein stufenlos in seinem Ubersetzungsverhältnis veränderbares Getriebe sein. Dies richtet sich in erster Linie nach dem Einsatzfall für das Antriebsaggregat. Bei stationären Antriebsaggregaten, beispielsweise im Zusammenhang mit Fördereinrichtungen kann ein zweistufiges Schaltgetriebe ausreichen, während bei einem Fahrzeug, beispielsweise einer Lokomotive, ein stufenlos verstellbares'Getriebe zweckmäßig- ist, um eine feinfühlige Drehzahlsteuerung und damit ein ruckfreies Fahren zu ermöglichen.Because the change in frequency required to change the speed of the three-phase current generated takes place via a change in the generator speed, on the other hand the diesel engine, which is preferably used as a generator drive, for an economical one Operation only changed in its speed within relatively small limits can be, is provided in an embodiment of the invention that between the internal combustion engine and a gear with a variable transmission ratio is arranged on the generator is. This transmission can be a step-wise shiftable transmission or else a be continuously variable in its transmission ratio gear. This sets up primarily depending on the application for the drive unit. With stationary Drive units, for example in connection with conveyors a two-stage gearbox will suffice while in a vehicle, for example a locomotive, an infinitely variable gearbox is useful to a to enable sensitive speed control and thus jerk-free driving.
Ein stufenlos verstellbares Getriebe hat zudem den Vorteil, daß eine automatische Anpassung zwischen der Drehzahlsteuerung des Dieselmotors, der Getriebeübersetzung und der für die Drehzahländerung dbs Elektromotors gewünschten Generator frequenz automatisch und optimal erfolgen kann. Je nach Getriebetyp kann hier die Generatordrehzahl von Null bis zur zulässigen Höchstdrehzahl ver- ändert werden. Der Dieselmotor arbeitet immer in seinem optimalen Drehzahlbereich, während für den eigentlichen Antrieb alle Vorteile des Elektromotors nutzbar gemacht werden.A continuously variable transmission also has the advantage that a automatic adjustment between the speed control of the diesel engine and the gear ratio and the generator frequency required for changing the speed of the dbs electric motor can be done automatically and optimally. Depending on the type of gearbox, the generator speed can be set here from zero to the maximum permissible speed will be changed. Of the Diesel engine always works in its optimal speed range, while for the actual drive all advantages of the electric motor can be harnessed.
Bevorzugt ist der Drehstromgenerator als Synchronmaschine ausgebildet und die Einrichtung zur Regelung der Generatorspannung mit der Erregermaschine des Drehstromgenerators verbunden. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Anstelle eines Dreh'r;tromyenerators koJ1llen auch ein oder mehrere Wechselstromgeneratoren zur Erzeugung von einphasigem Wechselstrom eingesetzt werden. Bei der Verwendung -von mehreren Wechselstromgeneratoren können diese durch entsprechende Schaltung insgesamt als Drehstromgenerator arbeiten.The three-phase generator is preferably designed as a synchronous machine and the device for regulating the generator voltage with the exciter of the Alternator connected. However, the invention is not restricted to this. Instead of a rotary power generator, one or more alternating current generators are also used can be used to generate single-phase alternating current. When using -from several alternators, these can be switched on using the appropriate circuitry work as a three-phase generator.
Die Erfindung wird anhand eines schematischen Schaltbildes näher dargestellt. Ein Dieselmotor 1 treibt über ein Getriebe 2 einen Drehstromgenerator an, dessen Ausgangsspannung durch einen Spannungsregler 4 regelbar ist. Ein oder mehrere Käfigläuferiotoren 6 werden unmittelbar vom Drehstromgenerator 3 gespeist, wobei lediglich die üblichen Schutzeinrichtungen und das Drehrichtungsumschaltschütz 5 zwischengeschaltet sind.The invention is illustrated in more detail with the aid of a schematic circuit diagram. A diesel engine 1 drives a three-phase generator via a transmission 2 Output voltage can be regulated by a voltage regulator 4. One or more squirrel cage motors 6 are fed directly from the alternator 3, with only the usual Protective devices and the direction of rotation changeover contactor 5 are interposed.
Die Drehzahl des Dieselmotors ist mit Rücksicht auf die erforderliche Leerlaufdrehzahl nur in geringen Grenzen bis zur zulässigen Höchstdrehzahl verstellbar. Dieser Verstellbereich beträgt maximal 1:5 und ist für die meisten Anwendungsfälle nicht ausreichend.The speed of the diesel engine is required with regard to the Idle speed only within low limits up to the maximum permissible speed adjustable. This adjustment range is a maximum of 1: 5 and is suitable for most Use cases not sufficient.
Zur Vergrößerung des Verstellbereiches ist das Getriebe 2 als stufenweise oder auch stufenlos schaltbares Getriebe ausgebildet, dessen 'Untersetzungsverhältnis mit Rücksicht auf die jeweiligen Erfordernisse ausgewählt ist.To increase the adjustment range, the transmission 2 is designed as a step or continuously switchable gear, whose 'reduction ratio is selected with regard to the respective requirements.
Durch den Einsatz eines Automatikgetriebes ist sichergestellt, daß der Dieselmotor immer in seinem zulässigen und auch günstigsten Drehzahlbereich arbeitet. Die Einrichtungen zur automatischen Anpassung der jeweils erforderlichen Getriebestufen an die vorgegebene optimale Be-, triebsdrehzahl des Dieselmotors sind bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden.The use of an automatic transmission ensures that the diesel engine always in its permissible and most favorable speed range is working. The facilities for the automatic adjustment of the required Gear stages to the specified optimum operating speed of the diesel engine are known and do not need to be explained in more detail here.
Drehzahl/ Zur Steuerung des gesamten Antriebes ist eine Steuereinrichtung 7 vorgesehen, die auf die Dehzahlverstelleinrichtung des Dieselmotors 1 und auf die Stufenwahl des Getriebes 2 wirkt. Die Drehzahl des enerators 3, die für die Drehzahl der Antriebsmotoren ç von Bedeutung ist, wird über einen entsprechenden Drehzahlaufnehmer 9 an der Generatorwelle beispielsweise als elektrisches Signal abgegriffen und der Steuereinrichtung 7 aufgeschaltet, so daß hier die erforderliche Verknüpfung zwischen einzustellender Getriebestufe und geforderter Drehzahl des Elektromotors 6 gegeben ist.Speed / A control device is used to control the entire drive 7 provided on the speed adjustment device of the diesel engine 1 and on the step selection of the transmission 2 is effective. The speed of the enerator 3, which for the The speed of the drive motors ç is of importance, is via a corresponding Speed sensor 9 on the generator shaft, for example as an electrical signal tapped and connected to the control device 7, so that here the required Link between the gear stage to be set and the required speed of the Electric motor 6 is given.
Das elektrische Signal des Drehzahlaufnehmers 9 wird weiterhin dem Spannungsregler 4 als Steuerkriterium für die Spannungsregelung Spannung = konstant) des Gene-(Frequenz rators 3 zugeführt.The electrical signal of the speed sensor 9 continues to be the Voltage regulator 4 as control criterion for voltage regulation voltage = constant) of the generator (frequency 3 supplied.
Die Istdrehzahl des bzw. der Elektromotoren 6 bzw. die -Istgeschwindigkeit im Falle eines Fahrzeuges wird über ein entsprechendes Instrument 8 dem Bedienungspersonal angezeigt.The actual speed of the electric motor or motors 6 or the actual speed in the case of a vehicle, a corresponding instrument 8 is used to inform the operating personnel displayed.
Da der Generator 3 bis nahezu in den Bereich der Drehzahl "Null" mit dem vollen Laststrom betrieben wird, muß eine Fremdkühlung vorgesehen werden. Dies kann durch flüssige oder gasförmige Kühlmittel erfolgen, die über eine entsprechende Fördereinrichtung 10 (Pumpe bzw.Since the generator 3 to almost in the range of the speed "zero" with is operated with the full load current, external cooling must be provided. this can be done by liquid or gaseous coolant, which has a corresponding Conveying device 10 (pump or
Lüfter), die vom Dieselmotor 1 angetrieben wird, durch die Kühlflächen des Generators gefördert wird.Fan), which is driven by the diesel engine 1, through the cooling surfaces of the generator is promoted.
Anstelle des bei-m Ausführungsbeispiel erläuterten Dieselmotors kann auch eine Gasturbine oder ein Ottomotor eingesetzt werden.Instead of the diesel engine explained in the embodiment example a gas turbine or a gasoline engine can also be used.
Claims (5)
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