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Einrichtung zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl eines Drehstrominduktionsmotors
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Steuerung der Drehrichtung und
Drehzahl eines Drehstrominduktionsmotors in Abhängigkeit von einer Steuer- oder
Regelgröße durch Umschaltung bzw. periodische Ein- und Ausschaltung seiner Netzzuleitungen,
unter Anwendung von in den Netzzuleitungen angeordneten Schalttransistoren.
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Es sind Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen ausschließlich mechanische
Mittel zur Umsteuerung der Drehrichtung eines Motors verwendet sind, wobei aber
die dem Motor zugeführte Spannung nicht verändert wird. Dies durch periodisches
Ein- und Ausschalten zu erreichen, wäre bei solchen mechanischen Schaltmitteln auch
gar nicht durchführbar, da derartige Schaltmittel einer solchen Beanspruchung nicht
gewachsen wären. Ferner ist es bekanntgeworden, mit Hilfe von Schalttransistoren
eine im Hauptstromkreis kontaktlose Einschaltung eines Drehstrommotors vorzunehmen,
ohne daß Drehzahl und Drehrichtung gesteuert werden. Zur Einstellung einer bestimmten
Schleichdrehzahl bei Drehstrommotoren sind mit mechanischen Kontakten arbeitende
Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen je nach der gewünschten Drehrichtung die
Netzzuleitung jeweils bei Erreichen der Schleichdrehzahl unterbrochen und bei Unterschreiten
der Schleichdrehzahl wieder eingeschaltet wird. Demnach wird der Motor periodisch
beschleunigt und verzögert, so daß seine Drehzahl um den gewünschten Wert der Schleichgeschwindigkeit
pendelt. Eine solche Anordnung ist aber für den Dauerbetrieb bei den dort gewünschten
Betriebsdrehzahlen wegen der Überbeanspruchung der mechanischen Kontakte und wegen
des Pendelns der Drehzahl nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs erwähnten
Einrichtung die genannten Nachteile zu vermeiden. Dies gelingt nach der Erfindung
auf einfache Weise dadurch, daß mindestens zwei Wicklungsstränge des Motors über
je zwei Schalttransistoranordnungen jeweils mit mindestens zwei Netzleitern in Verbindung
stehen, und daß die bei der jeweils gewünschten Drehrichtung in Betrieb befindlichen
Schalttransistoranordnungen durch mindestens eine periodische Umsteuerung in jeder
Netzspannungshalbwelle vom geöffneten in den gesperrten Zustand und umgekehrt den
Effektivwert der Phasenspannungen im Sinne einer Drehzahlsteuerung beeinflussen.
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Dabei wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, daß Transistoren
als elektrische Schalter geeignet sind. Durch die Verwendung von Transistoren wird
ein praktisch verzögerungsfreies Steuern bzw. Regeln ermöglicht. Besonders bei der
Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren in Abhängigkeit von einer Regelgröße wirkt
sich dieser Umstand günstig auf die Regeldynamik aus. Ferner ermöglicht die Verwendung
von Transistoren einen hohen Wirkungsgrad der Einrichtung nach der Erfindung, da
bekanntlich Transistoren nur einen vernachlässigbar kleinen Spannungsabfall aufweisen,
dessen ohmscher Charakter eine Verzerrung des Spannungsdreiecks bei dreiphasigen
Systemen und somit auch eine Verringerung des Drehmomentes ausschließen. Durch gleichlange
Öffnungs- und Schließzeiten der Transistoren ist ferner eine sehr genaue und sichere
Steuerung bzw. Regelung möglich, weil in diesem Fall Ausgleichsströme nicht fließen
können.
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Die Erfindung sei an Hand eines in Fig. 1 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles für eine Elektrodenverstellvorrichtung in Lichtbogenöfen näher
erläutert.
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Zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl eines Asynchronmotors
9 für die Verstellung der Elektroden in Lichtbogenöfen sind seine Wicklungsstränge
6, 7 über Schalttransistoranordnungen 2, 3, 4
und 5 mit den Leitern R und
S eines Drehstromnetzes 1 verbunden, während der Wicklungsstrang
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unmittelbar an den Netzleiter T angeschlossen ist. Die Schalttransistoranordnungen
2 und 5 sind in Steuerabhängigkeit von Einrichtungen 13 und 14 gebracht, die ihrerseits
durch das die Regelabweichung erfassende
Schaltelement 11 beeinflußbar
sind. Auf das Schaltelement 11 wirkt, wie bei 12 angedeutet, der Lichtbogenstrom
und die am Lichtbogen auftretende Spannung sowie eine von einem mit dem Läufer des
Motors 9 gekuppelten drehzahlabhängigen Meßglied 10 herrührende Rückführung. Je
nachdem, ob der Elektrodenabstand vergrößert oder verkleinert werden soll, muß der
Anlauf des Motors in der einen oder anderen Drehrichtung erfolgen. Dies wird dadurch
erreicht, daß z. B. bei Rechtsanlauf des Motors die Schalttransistoranordnungen
2 und 3 geöffnet werden, dagegen bei Linkslauf die Schalttransistoranordnungen 4
und 5. Das andere Schalttransistorpaar ist jeweils gesperrt.
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Der einfachste Fall der Steuerung besteht darin, die jeweils in Frage
kommenden Schalttransistoränordnungen während der Dauer der Verstellbewegung geöffnet
zu halten, was einem Betrieb des Motors mit voller Leistung entspricht. Hierzu wird
die Differenz zwischen Soll- und Istwert, d. h. die Regelabweichung des Weges, als
Steuergröße nach Verstärkung auf die Basen der zusammengehörigen Schalttransistoranordnungen
gegeben. Um ein Aussteuern der Schalttransistoren in den für sie schädlichen Zwischenlagen
zu vermeiden, kann vorteilhaft eine Zweipunktsteuerung mit Hilfe von Zweipunktsteuergliedern
ohne Mittellage angewandt werden.
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Im besonderen kann mit Vorteil auch eine stetige Veränderung der Spannung
am Motor bzw. eine stetige Veränderung des Motormomentes durch Tasten der Spannungshalbwellen
in Impulslängen gemäß Fig. 5 a und 5 b vorgesehen werden, wie sie bereits an anderer
Stelle beschrieben ist. Sie kann des weiteren auch durch Ausschneiden von Segmenten
aus den Halbwellen nach den Fig. 6 a bis 6 c erfolgen, wie dies ebenfalls bereits
an anderer Stelle angegeben wurde. Beispielsweise bei der Steuerung nach Fig. 5a
und 5b werden die betreffenden Schalttransistoranordnungen 2 und 3 oder 4 und 5
abwechselnd geöffnet (schraffiert dargestellt) und gesperrt, wobei das jeweilige
zeitliche Verhältnis zwischen Offensein und Gesperrtsein, d. h. die Größe des Tastverhältnisses,
den Mittelwert der Motorleistung bestimmt. Die Steuerimpulse zum Tasten der Netzspannungshalbwellen
gelangen von den Einrichtungen 13 und 14 in Abhängigkeit von der Regelabweichung
auf die genannten Schalttransistoranordnungen.
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Diese Schalttransistoranordnungen können verschiedenartig ausgebildet
sein. Sie können beispielsweise, wie in Fig. 2 angegeben ist, aus einer Gegenparallelschaltung
zweier Transistoren 15 und 16 mit in Emitterrichtung durchlassenden vorgeschalteten
Gleichrichtern 17 und 18 bestehen; diese Anordnung ist zwischen einem Netzleiter
R und einem Wicklungsstrang 6 angeordnet. Die Gleichrichter dienen dazu, einen Kurzschluß
desjenigen Transistors zu verhindern, an dem die Spannung, gegenüber seiner normalen
Arbeitsperiode, umgekehrt anliegt. Die nicht näher bezeichneten Steuerklemmenpaare
der Transistoren 15, 16 sind z. B. mit der Einrichtung 13 verbunden, wie dies weiter
unten noch näher angegeben ist. Die Gleichrichter 17 und 18 können fortfallen, wenn
die Schalttransistoranordnung nach Fig. 3 ausgebildet ist. Bei dieser sind die Transistoren
19 und 20 in Gegenreihenschaltung in dem Stromkreis des Wicklungsstranges
6 angeordnet.
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Eine weitere Möglichkeit des Aufbaues der Schalttransistoranordnung
ist in Fig.4 angegeben, bei der nur ein einziger Schalttransistor 54 benötigt wird,
da die Emitter-Basisfunktion umgesteuert wird mit Hilfe eines Transformators 46
mit zwei Sekundärwicklungen 47 und 48, die über Widerstände 49 und 53 an die Außenelektroden
des Transistors 54 und über die Sekundärwicklung eines Steuertransformators 51 gemeinsam
an die Basis des Schalttransistors 54 angeschlossen sind. Zwischen dem gemeinsamen
Verbindungspunkt der beiden Sekundärwicklungen 47 und 48 und den Außenelektroden
sind noch zwei Gleichrichter 50 und 52 vorgesehen, deren Durchlaßrichtung auf den
gemeinsamen Verbindungspunkt der Sekundärwicklung weist. Das Übersetzungsverhältnis
zwischen der Primärwicklung 46, die ebenfalls unmittelbar an die Außenelektroden
angeschlossen ist, und den beiden Sekundärwicklungen beträgt jeweils 1:1, so daß
bei einer Polarität an der Basis des Transistors 54 das Potential des Emitters liegt;
da die an der Wicklung 48 liegende Spannung über den Gleichrichter 52 kurzgeschlossen
ist und an der: Sekundärwicklung 47 die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter
wirksam ist. Bei Umkehrung der Polarität dreht sich auch die Spannung sekundärseitig
um und die Basis hat nunmehr das Potential der früher als Kollektor, jetzt als Emitter
wirkenden Elektrode. Die Steuer- bzw. Regelgrößen werden dem Transformator 51 zugeführt,
wie dies - zusammen mit der Wirkungsweise der Schalttransistoranordnung - im einzelnen
bereits an anderer Stelle beschrieben wurde. Als Transistoren sind vorteilhaft symmetrische
p-n-p-Transistoren vorzusehen.
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Zur Impulstastung nach dem in den Fig. 5 a und 5 b, dargestellten
Schema werden für die Einrichtungen 13 und 14 bereits an anderer Stelle beschriebene
Anordnungen; sogenannte Amplivibratoren, verwendet, wie dies in Fig. 7 dargestellt
ist. Die Schalttransistoranordnungen 2 und 3 sowie die Schalttransistoranordnungen
4 und 5 werden jeweils gemäß Fig.1 an eine derartige, nachfolgend noch näher beschriebene
Amplivibratoreinrichtung angeschlossen und sind in Fig.7 der übersichtlichkeit halber
weggelassen worden. Die Amplivibratoreinrichtung 13 besteht im wesentlichen aus
zwei Transistoren 31 und 32 in astabiler Kippschaltung. Die Kollektorstromkreise
sind über je einen Widerstand 23 bzw. 24 an eine speisende Gleichspannung angeschlossen,
die durch die Gleichrichteranordnung 27 von der Sekundärwicklung
28 eines nicht gezeigten gemeinsamen Speisetransformators geliefert werden.
In den Steuerkreisen der Transistoren liegt je ein Widerstand 22 bzw.
25. Zur Kopplung der Transistoren 31 und 32 dienen zwei Kondensatoren
29 und 30. Zur gemeinsamen Steuerung der Transistoren ist ein Hilfstransistor
35 vorgesehen, dessen Kollektorstromkreis je über einen der Widerstände
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bzw. 42 einerseits an den einen Pol der Speisespannung und andererseits
an den freien Pol einer zweiten Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, die aus
einer von einem Transformator 40 gespeisten Gleichrichteranordnung 39 gebildet
wird. Die Eingangsklemmen des Hilfstransistors 35, denen die Steuergröße in Form
einer Gleichspannung zugeführt wird, sind mit 41 bezeichnet. Zur Steuerverbindung
mit den Transistoren 31 und 32 dienen zwei Gleichrichter
34 und 36 und eine Gleichspannungsquelle 37. An einen der Widerstände
23 und 24 ist über einen Verstärker 21
der Steuerkreis der Schalttransistoranordnungen
2
und 3 angeschlossen. Die beiden Amplivibratoren 13 und 14 sind eingangsseitig
in Reihe geschaltet, wobei
von Gleichrichtern 43 und
44 gespeiste Widerstände sowie ein von der Rückführung beaufschlagter Widerstand
angeordnet sind. Der Gleichrichter 43 wird hierbei mit dem Elektrodenstrom,
der Gleichrichter 44 mit der Lichtbogenspannung beaufschlagt. Die Abhängigkeit
der Amplivibratoren 13 und 14 von den Schaltelementen 11 ist
so beschaffen, daß jeweils der eine Hilfstransistor geöffnet, der andere gesperrt
ist.
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Für den angegebenen Fall der Elektrodenverstellung erfolgt die Regelung
durch Vergleich von Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom.