DE3816449A1 - Verfahren und vorrichtung zum bremsen eines kaefiglaeufermotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen Käfigläufermotor zu bremsen, der dabei in an sich bekannter Weise mittels eines Spannungsumformers gesteuert wird, wobei der Speisestrom vom Netz zum Motor im Bremszu­ stand unterbrochen und danach den Motorwicklungen Gleich­ strom zugeführt wird.

Käfigläufermotoren arbeiten häufig nach der sogenannten Gleichstrombremsmethode, bei der der Motorantriebsstrom un­ terbrochen und die Wicklungen dann mit Gleichstrom versorgt werden, wodurch ein stehendes Feld erzeugt wird, das in der Käfigläuferwicklung des Rotors ein bremsendes Magnetfeld induziert. Der Bremsprozeß als solcher kann durch Regeln des Bremsstroms gesteuert werden, so daß der Motor bei­ spielsweise entsprechend einer im voraus festgelegten Bremszeit oder einem Drehzahlprofil arbeitet.

Bei bekannten Bremsverfahren zum Bremsen eines Motors für eine oder für zwei Geschwindigkeiten wird von einem ge­ trennten Gleichrichter Gleichstrom zwei Anschlüssen eines Motors für eine Geschwindigkeit oder einer der Wicklungen eines Motors für zwei Geschwindigkeiten zugeführt (siehe beim Beispiel Finnisches Patent 64 255), und die Umkehr der Drehrichtung erfolgt, wenn kein Gleichstrom zugeführt wird. Diese Umkehr der Drehrichtung kann in den meisten Fällen entweder mit mechanischen Kontaktgebern oder im Wege der elektrischen Steuerung der Leistungshalbleiter der Span­ nungsumformer vorgenommen werden. Der erzeugte Gleichstrom kann entweder einer Vollweg- bzw. Zweiweggleichrichtung oder einer Einweggleichrichtung unterzogen werden, was von dem benutzten Schaltkreis abhängt.

Die Nachteile der bekannten Verfahren entstehen dadurch, daß sie wegen der Anordnung eines getrennten Gleichrichters eine ziemlich große Anzahl teurer Halbleiterkomponenten im Hauptschaltkreis erfordern und häufig auch eine große An­ zahl teurer und voluminöser mechanischer Hochspannungs-Kon­ taktgeber. Ferner haben die Kontaktgeber den Nachteil, daß sie ihren Zustand langsam ändern (die Differenz gegenüber einer elektronischen Schaltung besteht in der Größenordnung einer Dekade), was zur Folge hat, daß der Motor während des Wechsels sich in einem unbegrenzten stromlosen Zustand be­ findet, was zu einer Durchgangssituation führen kann. Das Bremsen durch die Umkehr der Drehrichtung hat den Nachteil, daß es wenig wirksam ist, insbesondere wenn häufig begremst werden muß, was zum Beispiel bei Aufzugmotoren der Fall ist, da der Bremsstrom immer dem Anlaufstrom gleicht (5 . . . 10 mal Nennstrom), selbst wenn kein Bremsmoment vor­ handen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bremsverfahren zur Verfü­ gung zu stellen, welches die genannten Nachteile nicht hat.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der benötigte Gleichstrom von einer Gleichrichter­ brücke in die Motorwicklungen eingespeist wird, welche mit­ tels elektrischer Steuerung im Bremszustand von gewissen Halbleiterkomponenten des Spannungsumformers gebildet wird.

Die hauptsächlichen Vorteile der Erfindung bestehen in den niedrigen Kosten und der geringen Größe, was durch eine mi­ nimale Anzahl der benötigten Bauelemente und Kontktgeber erreicht wird. Außerdem ist der Wirkungsgrad hoch. So sind zum Beispiel entsprechende Antriebe mit Frequenzumformern, bei denen die Leistungshalbleiter im allgemeinen von Tran­ sistoren gebildet sind, erheblich komplizierter und teurer als die Lösung gemäß der Erfindung, die mit einem Span­ nungsumformer auf der Basis von Thyristoren arbeitet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ansprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1a und 1b eine bekannte Tyhristorbrückenschaltung mit ihrem Funktionsprinzip, bei der die Erfindung an­ wendbar ist;

Fig. 2a bis 2c Diagramme der erfindungsgemäßen Thyristor­ brückenschaltung und ihres Steuerprinzips während der Gleichstrombremsung;

Fig. 3 ein Beispiel einer logischen Schaltung, die zur Verwirklichung der Erfindung für die Thyristor­ steuerung geeignet ist;

Fig. 4 ein Beispiel einer Thyristorzündschaltung, die an die Steuerlogik gemäß Fig. 3 anschließbar ist.

In Fig. 1a ist eine bekannte Thyristorbrückenschaltung ge­ zeigt, die zum Steuern eines Käfigläufermotors mit einer Wicklung benutzbar ist. Um diesen Motor 1 in einer Richtung zu drehen, wird Antriebsstrom über Thyristoren T 1, T 2; T 3, T 4 und T 9, T 10 zugeführt, während der Strom zur Umdrehung in entgegengesetzter Richtung über Thyristoren T 1, T 2; T 5, T 6 und T 7, T 8 eingespeist wird. Die beispielsweise für Aufzug­ motoren bestehenden gesetzlichen Vorschriften erfordern, daß es möglich sein muß, den Speisestrom mittels mindestens zwei unabhängig voneinander arbeitenden Vorrichtungen abzu­ schalten. Aus diesem Grund weist die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung die Kontaktgeber K 1 und K 2 auf, auch wenn diese für die Erfindung als solche nicht relevant sind.

Fig. 1b zeigt, wie der Betrieb der Thyristorbrücke mit einem dreiphasigen Netzstrom R, S, T synchronisiert wird. Der positive Teil des Speisestroms jeder Phase ist durch den index "p" gekennzeichnet, zum Beispiel R _p und der entspre­ chende negative Teil durch den Index "n", zum Beispiel T _n . Da für den Fachmann die Bedeutung der Figur auf der Hand liegt, wird die normale Arbeitsweise der Thyristorbrücke hier nicht im einzelnen beschrieben.

Wie schon gesagt, erfolgt das Bremsen bekanntermaßen nach dem Prinzip des Umkehrantriebs, das heißt durch Umkehren der Drehrichtung des Motors. Die Umkehr der Drehrichtung zu Bremszwecken unter Verwendung einer Schaltung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, erfolgt durch einen Wechsel der Thyri­ storgruppe während des Antriebs.

Dies Verfahren hat jedoch die vorstehend genannten Nach­ teile. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird statt des­ sen Gleichstrombremsen angewandt, welches durch Steuern der Thyristorbrücke in der in Fig. 2a gezeigten Weise erreicht wird. Aus Gründen der Klarheit sind in der Figur alle nicht am Bremsprozeß teilnehmenden Thyristoren ebenso wie deren Strompfade weggelassen. So zeigt Fig. 2a tatsächlich zwei Gleichstromquellen, die parallel geschaltet sind, wobei die Größe des von den Quellen gelieferten Gleichstroms U _dc ge­ trennt gesteuert wird durch ein Unterbrechen des Speise­ stroms zu den Gleichstromquellen mittels der Thyristorpaare T 3, T 6 und T 7, T 10.

Zum Bremsen wird die Zufuhr von Strom zum Motor durch Ab­ schalten aller Thyristoren T 1-T 10 unterbunden. Um alle Kurzschlußpfade auszuschließen, wird im Motor ein stromlo­ ser Zustand einer Dauer von ca. 20 ms erzeugt, wobei die Dauer dieses Zustandes in erster Linie durch Schwankungen in den Thyristorcharakteristiken bestimmt ist. Als nächstes werden die Thyristoren T 3, T 6, T 7 und T 10 gezündet, wodurch die in Fig. 2a gezeigte Schaltung entsteht. Diese Thyristo­ ren bilden eine Vollweggleichrichterbrücke, die in bekann­ ter Weise zwei Phasen des dreiphasigen Netzstroms gleich­ richtet; der dabei erzeugte Gleichstrom wird an zwei An­ schlüsse des Motors 1 angelegt, während dem dritten An­ schluß kein Strom zugeführt wird. Durch Regeln der Dauer des leitenden Zustands der Thyristoren kann der erzeugte Gleichstrom auf die nötige Größe eingestellt werden. Unab­ hängig von der Drehrichtung zum Zeitpunkt des Bremsens ist die Arbeitsweise und Schaltung für diesen Zweck die glei­ che.

Fig. 2b zeigt die Zündbereiche für die Thyristoren T 3, T 6, T 7 und T 10 für das Gleichstrombremsen, wenn ein hohes Drehmo­ ment benötigt wird. In diesem Fall wirken die Thyristoren T 7 und T 10 als Nulldiode, was es erlaubt, den Strom durch die Induktivität der Motorwicklungen aufrechtzuerhalten. Hiermit werden Stromschwankungen reduziert und folglich auch mechanische Geräusche. Das läßt sich nicht erreichen, wenn eine Einweggleichrichtung angewandt wird.

Fig. 2c zeigt die Zündbereiche für die Thyristoren T 3, T 6, T 7 und T 10 für das Gleichstrombremsen wenn ein niedriges Dreh­ moment erforderlich ist. Wenn der Bremsstrom klein ist, stellt die Zunahme der relativen Schwankung des Stroms keine Schwierigkeit mehr dar. Um den schnellstmöglichen Wechsel zwischen dem Gleichstrom- und dem Wechselstromzu­ stand zu erzielen, wird in diesem Fall auch das Thyristor­ paar T 7, T 10 in der gleichen Weise gezündet wie das Thyri­ storpaar T 3, T 6 in Fig. 2b. Die Motorinduktivität ist nun­ mehr dem zugeführten Gleichstrom entgegengerichtet, was zu Unterbrechungen im Strom führt, die einen raschen Übergang zurück zum Zugzustand ermöglichen.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung zum Steuern einer Thyristorbrücke wie der in Fig. 1 gezeigten. Allge­ mein gesagt, sammelt die Schaltung die nötigen Informatio­ nen hinsichtlich der gewünschten Antriebsrichtung, das vom Motorgeschwindigkeitsregler gegebene Startsignal, die ge­ wünschte Antriebsweise (Ziehen/Bremsen), die Ausgabe eines Antriebsbefehls und den Zeitpunkt des Thyristorzündens ge­ mäß Fig. 1b und kombiniert dann unter Verwendung gewöhnli­ cher NAND-Logik diese Daten, um ein Thyristorzündschema zu erzeugen, welches der Stromsituation angepaßt ist.

Die Arbeitsweise der Schaltung soll noch mehr im einzelnen beschrieben werden:

Der Antriebsbefehl wird an einen Punkt 2 angelegt, wodurch eine logische Schaltung 3, zum Beispiel eine Relaislogik ak­ tiviert wird, so daß zunächst die Kontaktgeber K 1 und K 2 in Fig. 1 mit dem über Leitung 4 gesandten Steuerbefehl akti­ viert werden, woraufhin nach einer Verzögerung von ca. 100 ms über Leitung 5 an die Thyristorsteuerschaltung ein Si­ gnal zur Erlaubnis des Zündens des Thyristors ausgesandt wird. Soll der Motor angehalten werden, so werden diese Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt. Die Zünd­ erlaubnis setzt einen Oszillator 6 in Gang, der als Taktge­ ber und Zeitgeber für das ganze Zündsystem dient und Im­ pulse mit einer Frequenz von 30 kHz an Eingänge von NAND- Gattern 7 a-7 g liefert.

Die Synchronisierimpulse werden, wie Fig. 1b zeigt, in ODER-Gatter 8 a-8 c eingegeben, die mit Hilfe von Operations­ verstärkern 9 a-9 c am Bezugspunkt 10 a-10 c jedes Gatters ein Sägezahnsignal erzeugen, wenn irgendeiner der Eingänge R _p . . . T _n positiv ist. Die Sägezahnsignale werden an Ver­ gleichsschaltungen 11 a-11 c weitergeleitet, um mit dem von einem PI-Geschwindigkeitsregler 12 gelieferten Regelsignal verglichen zu werden. Das Regelsignal wird gemäß bekannter Verfahren entsprechend den Erfordernissen des Momentes va­ riiert, das heißt je nach der gewünschten Drehgeschwindig­ keit des Motors. Eine Schaltung 13 erzeugt einen absoluten Wert der Spannung des vom Geschwindigkeitsregler erhaltenen Signals, und eine der Betonung dienende Schaltung 14 be­ wirkt eine Korrektur zur Linearisierung des Drehmoments, so daß die Regelspannung Ur entsteht. Eine Linearisierung ist deshalb nötig, weil das Drehmoment des Motors nicht linear auf Änderungen des Zündwinkels anspricht. Die Nichtlineari­ tät hängt vom Impulsverhältnis des Stroms und von der Kosi­ nusform des Zündens ab. Der Geschwindigkeitsregler wäre zwar in der Lage, den Fehler selbst zu korrigieren; aber er arbeitet zu langsam, wenn das Drehmoment einen niedrigen Wert hat, und genau dann ist ein rasches Arbeiten erforder­ lich. Die Antriebsrichtung wird von einer Schaltung 15 ge­ wählt, in die das Antriebsrichtungssignal eingegeben wird, und die ein Signal abgibt, um die der gewählten Antriebs­ richtung entsprechende Tyhristorgruppe zu aktivieren, wobei das zuletzt genannte Signal in die NAND-Gatter 7 a-7 g einge­ geben wird. Die Wahl zwischen normalem Antrieb und Bremsen wird von einer Schaltung 16 auf der Basis der Regleraus­ gangsspannung getroffen (wenn die Spannung negativ ist, soll der Motor gebremst werden). Ein normaler Antriebsbe­ fehl, der über Leitung 17 gesandt wird, aktiviert die NAND- Gatter 7 a-7 e, und ein Bremsbefehl, der über Leitung 18 ge­ sandt wird, aktiviert die NAND-Gatter 7 f und 7 g, welche den Betrieb der Thyristorpaare T 3, T 6 sowie T 7, T 10 beim Bremsen steuern, bis die Ausgangsspannung des Geschwindigkeitsreg­ lers 12 Null wird.

Die Wahl des Bremsmodus, bei dem das Thyristorpaar T 7, T 10 als Nulldiode benutzt oder ein- und abgeschaltet wird, je nach der Last (Fig. 2) wird durch Eingabe der Regelspannung Ur in eine Vergleichsschaltung 10 bewirkt, deren anderer Eingang die feste Bezugsspannung empfängt. Da die von der Regelspannung Ur nach der Linearisierung durch die Schal­ tung 14 geführte Information auch den Wert des Drehmoments einschließt, kann dies Signal direkt genutzt werden, und die erforderliche Schaltungsanordnung ist ziemlich ein­ fach. Das Ergebnis des Vergleichs wird von der Vergleichs­ schaltung 19 an einen der Eingänge eines ODER-Gatters 20 weitergeleitet, an deren anderem Eingang der Ausgang der Vergleichsschaltung 11 c anliegt. Die Vergleichsschaltung 11 c steuert das NAND-Gatter 7 g mit Synchronimpulsen der Netzphasen S und T mit Unterbrechung der Gleichspannung, gemäß Fig. 2c, in der gleichen Weise wie das Gatter 7 f die Thyristoren T 3 und T 6 steuert, es sei denn, daß die Ver­ gleichsschaltung 19, weil ein hohes Bremsmoment erforder­ lich ist, das Gatter 20 permanent im 1-Zustand hält, was während des Bremsen zur Wirkung hat, daß das Gatter 7 g kon­ tinuierlich die Thyristoren T 7 und T 10 entsprechend der vom Oszillator 6 (30 kHz) gemäß Fig. 2b festgesetzten Zeitbe­ stimmung zündet.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Leistungssteuerstufe, an deren Eingang 21 der Ausgang eines der NAND-Gatter 7 a-7 g gemäß Fig. 3 anliegt. Die pulsierende 30 kHz-Spannung (Zy­ klus = Netzfrequenz), die gegenüber der Leistungsstufe durch einen Transformator M galvanisch isoliert ist, wird in Zündimpulse für ein Thyristorpaar, zum Beispiel T 1 und T 2 umgewandelt, und zwar mit Hilfe von zwei Sekundärwick­ lungen. Die von diesen Wicklungen erhaltenen Signale werden von Anschlüssen 22 a und 22 b an die Gatter der Thyristoren angelegt. Für jedes NAND-Gatter ist eine Steuerung dieser Art erforderlich.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bremsen eines Käfigläufermotors (1), bei dem der Motor in an sich bekannter Weise mittels eines Spannungsumformers gesteuert und der Netzstrom (R, S, T) zum Motor in der Bremssituation unterbrochen wird, woraufhin den Motorwicklungen Gleichstrom (U _dc ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der den Motorwick­ lungen zugeführte Gleichstrom von einer Gleichrichterbrücke (T 3, T 6, T 7, T 10) erhalten wird, die in der Bremssituation mittels elektrischer Steuerung von gewissen Halbleiterkom­ ponenten (T 1-T 10) des Spannungsumformers gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Halbleiterkom­ ponenten (T 1-T 10) des Spannungsumformers Thyristoren be­ nutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vollweg­ gleichrichterbrücke aus zwei Thyristorpaaren (T 6, T 3; T 7, T 10) gebildet wird, die den Brems-Gleichstrom (U _dc ) aus zwei Phasenspannungen (S, T) erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristor­ paare (T 6, T 3; T 7, T 10) getrennt so gesteuert werden, daß im Fall eines hohen Bremsmomentes eines der Thyristorpaare (T 7, T 10) kontinuierlich gleichrichtet, wobei es als Nulldi­ ode wirkt, während das andere Paar (T 3, T 6) einen pulsieren­ den Gleichstrom (U _dc ) erzeugt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristor­ paare (T 6, T 3; T 7, T 10) so gesteuert werden, daß im Fall eines niedrigen Bremsmomentes beide Paare einen pulsieren­ den Gleichstrom (U _dc ) erzeugen.

5. Steuerschaltung für einen Käfigläufermotor, der stu­ fenlos in an sich bekannter Weise mittels eines Spannungs­ umformers steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein von bestimm­ ten elektrisch steuerbaren Halbleiterkomponenten des Span­ nungsumformers gebildeter Gleichrichter beim Bremsen dem Motor Gleichstrom (U _dc ) zuführt.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter­ komponenten (T 1-T 10) des Spannungsumformers Thyristoren sind, und daß zwei Thyristorpaare (T 6, T 3; T 7, T 10) des Span­ nungsumformers zur Schaffung einer Vollweggleichrichter­ brücke benutzbar sind, die den Gleichstrom (U _dc ) zum Brem­ sen aus zwei Phasenspannungen erzeugt.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wähler­ schalter aufweist, mit dem eines der Thyristorpaare (T 7, T 10) alternierend zündbar ist, wobei ein kontinuierlich pulsierender Gleichstrom erzeugt wird.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsum­ former von einem Transistor-Inverter gebildet ist.