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Schaltungsanordnung zur untersynchronen Drehzahlregelung von Asynchron-Kurzschlußläufermotoren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit gesteuerten und ungesteuerten
Ventilen (Halbleiter) zur untersynchronen Drehzahlregelung eines Asynchron-Kurzschlußläufermotors.
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Es ist bekannt, derartige Schaltungsanordnungen so auszuführen, daß
die dem Motor zugeführte Spannung oder Frequenz, auch Spannung und Frequenz gleichzeitig,
verändert werden, wobei die vom Motor abgegebenen Werte, im allgemeinen die abgegebene
Drehzahl, zur Steuerung ausgenutzt werden. Die Schaltungen sehen eine Gegenparallel-
oder Kreuzschaltung von Ventilen zwischen Netz und Motor vor. Es ist ferner bekannt,
den Strom einer Halbwelle zur Steuerung auszunutzen. Desgleichen ist es im Rahmen
von Schaltungsanordnungen zur untersynchronen Drehzahlsteuerung oder -regelung bekannt,
Kurzschlußläufermotoren mit vom Anlauf bis zur maximalen Drehzahl ohne Einsattelung
ständig fallender Drehmoment-Drehzahlkennlinie zu verwenden.
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Auch ist eine elektronische Schalteinrichtung für einen Mehrphasenverbraucher,
z. B. Induktionsmotor, bekannt, bei der ein einzelnes gesteuertes Ventil an eine
Drehstrombrücke angeschlossen ist. Da hier kein frequenzabhängiger Nulldurchgang
gegeben ist, ist die Möglichkeit einer Anschnittssteuerung nur schwer zu realisieren.
Ein direktes ständiges Ein- und Ausschalten aller Phasen ist jedoch für eine Drehzahlregelung
wegen der hohen Einschaltstromstöße nicht geeignet.
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Es ist ferner bekannt, im Sternpunkt symmetrisch ungesteuerte Ventile
mit gesteuerten zu vereinigen oder nur gesteuerte Ventile zu verwenden, die in einem
Ring bzw. in einem Dreieck liegen.
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Da in allen Fällen mindestens so viel gesteuerte Ventile wie Phasen
vorhanden sind, ist der zum Steuern dieser Ventile erforderliche Aufwand beachtlich.
Außerdem haben die bekannten Schaltungsanordnungen folgende Nachteile: Sie nutzen
nicht das volle mögliche Anlaufmoment des Motors aus und erfordern für die Regelung
zusätzliche Bauelemente am oder im Motor bzw. an den angetriebenen rotierenden Teilen,
oder es werden rotierende Hilfssteuerelemente verwendet. Wird eine Halbwelle zur
Steuerung genutzt, so ist ein Mittelpunktleiter erforderlich. Außerdem ist der Motor
einseitig belastet, wird also sehr heiß, und der Wirkungsgrad ist entsprechend niedriger.
Der Schaltungs- und Zubehöraufwand ist in allen Fällen sehr groß.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines verschleißfreien elektrisch
geregelten Antriebes, der in vielen Anwendungsfällen mechanisch geregelte Antriebe
ersetzen kann, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen,
bei der eine Drehzahlregelung eines oder mehrerer Asynchron-Kurzschlußläufermotoren
erzielt wird, ohne daß zusätzliche mechanische Teile am oder im Motor vorhanden
oder von ihnen angetriebene Elemente erforderlich sind. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, eine gleichmäßige Belastung aller Phasen mit einer automatischen Lastanpassung
zu erzielen, d. h., der durch die Belastung auftretende Drehzahlabfall soll selbsttätig
ausgeglichen und die durch Spannungsschwankungen bedingten Drehzahländerungen sollen
kompensiert werden, wobei das volle Moment während des Hochlaufes ausgenutzt werden
soll und die bekannten Drucktaster oder Endschaltersteuerungen Verwendung finden
können. Ferner soll eine möglichst geringe Anzahl gesteuerter Ventile verwendet
werden, da deren Schaltungszubehör in erster Linie die Kosten der Regelung bestimmt.
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Die Schaltungsanordnung zur untersynchronen Drehzahlregelung von Asynchron-Kurzschlußläufermotoren,
deren Moment- und Stromkennlinien ihren maximalen Wert bei der Drehzahl Null haben
und ohne Einsattelung bis zur maximalen Drehzahl stetig fallend verlaufen, mit einer
Halbleiterventilanordnung aus gesteuerten und ungesteuerten Ventilen im Sternpunkt
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die im Sternpunkt liegende Halbleiterventilanordnung
aus einer einphasigen ungesteuerten Brückenschaltung und einer am Gleichstromausgang
der einphasigen Brückenschaltung liegenden, gesteuerten Antiparallelschaltung besteht.
An
Stelle der Antiparallelschaltung kann auch eine Schaltung mit nur einem einzigen
gesteuerten Ventil vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventilanordnung ist auf Grund ihres
in den einzelnen Phasen unsymmetrischen Aufbaues den Ventilanordnungen mit symmetrischem
Aufbau überlegen, da hierbei mit einer geringeren Anzahl gesteuerter Ventile gearbeitet
wird. Hierdurch wird das zum Steuern erforderliche Zubehör, welches insbesondere
bei kleineren Leistungen den Preis einer elektronischen Steuer-und Regeleinrichtung
bestimmt, beträchtlich vermindert. Außerdem wurde die Schaltungsanordnung so vorgesehen,
daß die zur Bremsung genutzten Halbwellen mit beeinflußt werden, da ständig vollfließende
Stromhalbwellen den Wirkungsgrad des Motors sehr verschlechtern.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß nach Anlegen
der Netzspannung der .oder die Motoren zunächst mit ihrem vollen Moment anlaufen,
dann entsprechend der Einstellung sich automatisch auf den jeweiligen Drehzahlpunkt
einstellen, wobei Lastschwankungen sich automatisch ausgleichen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigt F i g.1 die Schaltungsanordnung in Prinzipdarstellung.
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Mit 10 ist das die Betriebsspannung liefernde Netz bezeichnet. 21
und 22 zeigen die in Reihe geschalteten Motoren, deren Anzahl beliebig sein kann.
30 und 31 sind im Zündkreis a liegende Bauelemente. Mit 40,
41 und 42 sind
für die Steuerspannung erforderliche Bauelemente bezeichnet. Das Bauelement 41 ist
vorteilhaft so ausgeführt, daß es die Motoren und die Regelung vor Stromüberlastungen
schützt und gleichzeitig die stromabhängige Steuerspannung liefert. Es kann z. B.
ein Bimetallrelais sein, dessen stromabhängiger Spannungsabfall für die Zündspannungen
benutzt wird. 60 stellt die Halbleiterventilsteuerung mit den ungesteuerten Ventilen
62 und den gesteuerten Ventilen 66 dar.
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Der Funktionsablauf ist nun folgender: Die durch 10 gelieferte
Netzspannung steht über 21 und 22 an der Ventilsteuerung 60 an. Der
Stromfluß wird durch die gesperrten Ventile 66 verhindert. Wird nun durch die Betätigung
von 31 über die Anpassungs- und Impulsformelemente 30 der Zündkreis a erregt, so
werden die bisher gesperrten Ventile 66 freigegeben, und der Stromkreis über 21,22
ist geschlossen. Die Motoren laufen an, dabei bestimmt der Betriebsstrom durch 41
und die Spannung vom Punkt 42 in Verbindung mit 40 die weitere Zündspannung.
40 enthält die Impulsform- und Einstellbauelemente, deren veränderbare Höhe
bzw. Phasenlage der Steuerspannung den Drehzahlpunkt für 21 und 22 festlegt. Bei
der konstruktiven Ausführung können die Zündkreise a und b ineinandergelegt
werden, d. h., es können teilweise die gleichen Übertragungselemente benutzt werden.
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Die Motoren haben, damit sie im ganzen Drehzahlbereich regelbar sind,
eine Kennlinie, deren grundsätzlicher Verlauf in F i g. 2 dargestellt ist. Zu jedem
Drehzahlpunkt gehört eine bestimmte Stromhöhe. Diese wird durch 41 in Verbindung
mit 42 und 40 zur Steuerung ausgenutzt. Dabei- ist von Vorteil, daß durch
die Kombination von 41 und 42 eine größere Änderung erzielt wird und nicht nur Last-Schwankungen,
sondern auch Spannungsänderungen ausgeglichen werden können. Weitere Einzelheiten
der Drehzahlregelung sind bei der Erläuterung zu F i g. 3 bis 5 gemacht.
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In F i g. 3 ist eine erfindungsgemäße Art der Halbleiterventilanordnung
60, bestehend aus einer einphasigen ungesteuerten Brückenschaltung und einer gesteuerten
Antiparallelschaltung, dargestellt. Die Arbeitsweise der Schaltung ist folgende:
An die Klemmen 67,68 und 69 sind die aus dem Motor kommenden Leitungen angeschlossen.
Wenn die gesteuerten Ventile 65 und 66 nicht gezündet sind, ist der gesamte dreiphasige
Stromkreis offen. Wird das Ventil 65 gezündet, und ist der Anschluß 67 positiv,
so fließt ein Strom von 67 über 61 und 65 nach 69. Ist auch 66 noch gezündet, so
kann der Strom weiter über 66 und 64 nach 68 fließen. Es sind somit die Klemmen
67,68 und 69 verbunden. Ist z. B. 69 positiv, so fließt der Strom über 66
und 64 nach 68 und über 66 und 63 nach 67. Ist 68 positiv; so fließt der Strom über
62 und 65 nach 69 und über 62, 65, 66 und 63 nach 67. Man sieht, daß die Ströme
aller drei Phasen über nur zwei gesteuerte Ventile fließen müssen. Die vorteilhaft
geringe Anzahl Ventile wird durch die Legung in den Sternpunkt erreicht. Es kann.
durch eine unterschiedliche Aussteuerung von 65 und 66 der Bremsanteil, d. h. die
unterschiedliche positive und negative Stromhöhe, in den einzelnen Phasen beeinflußt
werden. Wie man sieht, sind mehrere ungesteuerte Ventile mit einem steuerbaren in
Reihe gelegt. Es ist bekannt, daß zur Steuerung galvanisch getrennte Impulskreise
erforderlich sind. Da nur zwei gesteuerte Ventile vorhanden sind, werden auch nur
zwei Impulskreise benötigt. Die Öffnungszeiten von 65 und 66, die auch unterschiedlich
zueinander sein können, bestimmen nun die Drehzahlen von 21 und 22, deren Drehzahlbereich
von Null bis zur maximalen gehen kann.
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Wird nur ein Ausschnitt aus dem Drehzahlbereich benötigt, so kann
vorteilhaft eine Schaltung nach F i g. 4 verwendet werden, bei der nur ein gesteuertes
Ventil mit einem Impulskreis erforderlich ist. Die teilweise nicht steuerbaren Halbwellen
begrenzen dann den Regelbereich. Für die vielen Antriebe, bei denen nur eine geringe
Drehzahländerung erforderlich ist, ergibt sich also somit eine sehr wirtschaftliche
Regelung.
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Von den in F i g. 3 dargestellten Ventilen kann nicht nur, wie in
F i g. 4, ein gesteuertes fehlen, sondern es kann auch beliebig ein ungesteuertes
fortgelassen werden. Man kann sogar durch Überbrücken eines Ventils sprunghaft den
Regelbereich verändern. Dies ist in F i g. 4 durch den Schalter 71 dargestellt.
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Der erste Zündimpuls von 31 wird vorteilhaft aus dem Stromkreis eines
Magnetschalters gewonnen. Dieser Magnetschalter ist allgemein vorhanden (zwischen
Netz und Motor) und wird bei der Steuerung beibehalten, damit einmal die Hilfsstromkreise
des Antriebes unverändert übernommen werden können und zum anderen eine einwandfreie
Trennstelle vorhanden ist (spannungsfrei auch bei Arbeiten an den Antrieben und
der Regelung).
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Die Impulsgewinnung von 41 und 42 wird so in
40
weiter moduliert, daß der einmal eingestellte Drehzahlpunkt erhalten bleibt.
Wird z. B. das an der Welle des Motors wirksame Gegendrehmoment größer, so steigt
der Strom I an. Über 41 und 40 werden die gesteuerten Ventile entsprechend
früher gezündet. Die
erhöhte Spannung hat dann einen Drehzahlanstieg
auf den eingestellten Wert zur Folge. Bei Spannungserhöhung 42 würde sich eine erhöhte
Drehzahl einstellen. Die Anordnung des Impulskreises 40 zur Steuerung der Ventile
ist jedoch so getroffen, daß bei steigender Spannung der Bremsanteil, das ist die
überwiegende Halbwelle, verstärkt wird. Bei Spannungsminderung wird die Bremsung
entsprechend verringert. Diese Vorgänge werden durch F i g. 5 näher erläutert. Mit
1 ist die Spannungskurve einer Phase der Netzspannung dargestellt. Durch die Ventile
65 und 66 wird den Motoren eine Spannung entsprechend den Kurven 2 und 3 zugeführt.
Da der Flächeninhalt der Kurve 2 von dem der Kurve 3 abweicht, ergibt die Differenz
den Bremsanteil. Wird nun der Belastungsstrom höher, so wird der Zündpunkt a nach
links verlegt und der Flächeninhalt der Kurve 3 größer, die dem Motor zugeführte
Energiemenge entsprechend mehr und die Differenz zwischen 2 und 3 und somit der
Bremsanteil entsprechend kleiner. Der Motor kann also an der Welle ein höheres Drehmoment
abgeben. Wird nun die Netzspannung größer, so würde sich dadurch eine erhöhte Drehzahl
ergeben. Dies wird jedoch dadurch verhindert, daß der Zündpunkt b weiter nach links
wandert und der Bremsanteil vergrößert wird. Im umgekehrten Sinn wird bei Spannungsmindernng
verfahren. Diese Verhältnisse gestatten eine einwandfreie Anpassung des Motors an
den Antrieb. Die hier für Dreiphasennetzsysteme aufgezeigte Lösung kann auch für
andere Mehrphasensysteme Verwendung finden.
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Durch die Erwärmung der Motoren tritt ein zusätzlicher Schlupf auf,
der besonders durch den erhöhten Sekundärwiderstand bedingt wird. Um den daraus
resultierenden Drehzahlabfall zu kompensieren, werden in der Schaltungsanordnung
temperaturabhängige Bauelemente vorgesehen, die eine zusätzliche Steuerspannung
zur Erhöhung der Drehzahl abgeben.