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Regelbarer Asynchron-Stromrichter-Motor
Der wirtschaftlichste Antriebsmotor ist ein Asynchronmotor. Die Drehzahl ist bekannterweise mit einem bestimmten Aufwand, vornehmlich im Läuferkreis über Ohm'sche Widerstände, vor den Schleifringen bzw. über Anlasswiderstände in einem Bereich begrenzt bis etwa 10-15% abwärts, steuerbar.
Wird derKipp-Punkt erreicht, sei es durch apparativen Aufwand entsprechend der vorher genannten Möglichkeiten bzw. durch Erhöhung des abverlangten Drehmomentes, so tritt Labilität ein. Man versteht darunter ein Durchlaufen des instabilen Astes der Kennlinie zwischen niedrigster stabiler Drehzahl und dem Stillstand. Die Erfindung erzielt mit kontaktlosen schaltungstechnischen Eingriffen eine stabile Dreh- zahl in allen Bereichen bis zum Stillstand. Damit ist es möglich einen Asynchronmotor in allen betrieb- lichen Zuständen zu regeln. Selbstredend bei einem Drehmoment, das geringer ist als sein fallweiser Wert zwischen Anzugsmoment und Maximalmoment des unbeeinflussten Asynchronmotors.
Zur Beeinflussung der Drehzahl insbesonders im Sinne einer Drehzahlverminderung ist es bekannt geworden, dass im Läuferkreis eines Asynchronmotors über Schleifringe Stromrichterelemente bzw. transduktorische Mittel vorgesehen werden um die Läuferenergie, gleichgerichtet über einen Gleichstrommotor und dadurch über dessen Feld im Drehmoment beeinflusst, zusätzlich auf die Antriebswelle zu bringen (USA-Patentschrift Nr. 2, 066, 508 Hugh E. Young). Ein ähnlicher Vorschlag weist darauf hin, die anfallende Schleifringleistung ebenfalls durch einen Stromrichter zu beeinflussen, dessen Gittersteuerung mit Zündpunktverschiebung arbeitet. Die erzielte Drehmomentbeeinflussung verursacht durch die dabei auftretende Zündpunktverschiebung eine unerwünschte Blindleistungsaufnahme (franz. Patentschrift Nr. 1. 064.313 Knottnerus).
Desgleichen wurde ein Asynchronmotor angegeben (franz. Patentschrift Nr. 972. 217 Westinghouse Electric Corporation, USA), dessen Läuferenergie über Stromrichter gesteuert wird, abhängig vom Unterschied eines primärseitig entnommenen Stromistwertes und einem gegenübergestellten Stromsollwert.
Die damit erzielte Drehmomentbeeinflussung verursacht ebenfalls durch die Anwendung eines verzögerten Zündeinsatzes eine bereits genannte Blindleistungserhöhung.
Es ist weiters vorgeschlagen worden, einen ständerseitig am Netz liegenden Asynchronmotor durch periodisches Kurzschliessen und Öffnen des Läuferstromkreises auf elektronischem Wege in der Drehzahl zu beeinflussen, wobei das Verhältnis der Kurzschlusszeit zur Trennungszeit veränderlich ist, deren Summe aber konstant bleibt, so dass die Drehzahl einen gewünschten Wert im Rahmen der Belastbarkeit des Asynchronmotors erreicht.
Um das Kurzschliessen und Trennen im Läuferkreis zu ermöglichen, wurden Stromrichter, Transduktoren oder Halbleiter vorgeschlagen. Um dies zu verwirklichen ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht wird, angegeben worden, im Rahmen einer konstanten Spieldauer tsp = Konst. deren Summe aus Einschaltzeit tE und Ausschaltzeit tA zusammengestellt ist, das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit zwecks Drehzahländerung zu verändern. Um diesen Vorgang zu verwirklichen, ist ein bedeutender Aufwand vonzusatzgeräten in den einzelnen Steuerkreisen des zu unterbrechenden Läuferstromkreises notwen- dig.
Die Erfindung bezweckt die genannte Anordnung wesentlich zu verbessern, in dem sie die Konstanz des Schaltspieles weglässt tsp ; e Konst. und alsVorteil, nicht nur eine Einfachheit in denSteuerregelkreisen erzielt sondern darüber hinaus den Regelbereich an Hand der bekannten Kennlinie des Asynchronmotors betrachtet, wesentlich erweitert.
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Neben diesen genannten Vorteilen, besteht gegenüber dem für die gleiche Aufgabe einer Drehzahlregelung derzeit noch oft verwendeten Leonardantrieb der verbessernde Umstand, die Leistungsgrenze des Antriebes wesentlich zu steigern bzw. noch zu erhöhen.
Bekanntlich liegt die Höchstgrenze drehzahlsteuerbarer Antriebsleistung gegeben durch den Kollektor an Gleichstrommaschinen bei etwa 6000 KW Dauerleistung. Auch diese Grenze soll durch die Erfindung überschritten werden, bis zu jenem Höchstmass in dem es möglich ist Asynchronmotoren zu betreiben.
Diese Vorteile sind besonders anwendbar : bei Schiffsantrieben, Windkanälen, Bewetterungsanlagen.
Förderantrieben, Walzenzugsmaschinen und allen nur möglichen Werkzeugmaschinen, sowie sonstigen in der Drehzahl einstellbaren Antrieben.
Gegenstand der Erfindung ist es die Ausführung einer wesentlich vereinfachten Zweipunktregelung für Asynchronmotoren durch elektronische oder transduktorische Mittel bzw. kombinierte Verfahren so zu lösen, dass das galvanische Kontaktproblem überhaupt keine Rolle mehr spielt, gegebenenfalls auch Schleifringe entbehrlich sind und eine gesicherte und stetige Drehzahleinstellung bis zum Stillstand erzielt wird. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass in Serie mit den Sekundärwicklungen des Motors liegende steuerbare Stromrichter, Transduktoren oder Halbleiter derart geschaltet sind, dass der Sekundärstrom des Motors abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl den Sollwert überschreitet und voll zugeschaltet wird, indem die Klemmen der Sekundärwicklungen kurzgeschlossen werden, sobald die Drehzahl den Sollwert unterschreitet.
Die Wirkungsweise sei an Hand vor. Fig. 2 näher gebracht. Ein ständerseitig am Drehstromnetz liegender Asynchronmotor besitzt an den Läuferanschlüssen in Gegentakt angeordnete Ventile, um einen Stromfluss gemäss den Vorgängen im Drehstromsystem bzw. Mehrphasen-System zu ermöglichen. Es ist daher der Kurzschlusskreis des Läufers durch Stromrichterelemente, transduktorische Elemente oder Halbleiterelemente besetzt wie in Fig. 2 ersichtlich und deren Steuerung durch Symbole von Relais beschrieben, deren Arbeitsweise wie bekannt durch elektronische Elemente vollkommen ersetzbar sind. Ihre zeichnerische Andeutung wurde gewählt, um in der Fig. 2 die Übersichtlichkeit zu erhalten.
Fig. 2 zeigt den Grundsatz, dass die in Antiparallelschaltung verwendeten Ventile je Phase des Läuferkreises, auch durch entsättigte und sättigbare Induktivitäten auf transduktorischem Prinzip, ersetzt werden können. Bei Entsättigung der Induktivitäten entsteht eine induktive Gegen - EMK, die den jeweiligen Wechselstromfluss entgegengerichtet ist und damit den Stromfluss selbst unterbindet.
Es sei erwähnt, dass die in Fig. 2 schematisch angegebenen Stromrichtgefässe im Läuferstromkreis durch Halbleiterelemente ersetzt werden können, wobei es auch grundsätzlich möglich ist, den taktvermittelnden Relaiskontakt, also eine galvanische Lösung durch eine induktive, eine elektronische oder photozellenelektrische Lösung zu ersetzen. Dasselbe gilt für die transduktorische Anwendung, wie sie die Fig. 3 schematisch vermittelt, wo statt Relaiskontakten induktive, elektronischeoder photoelektrische Mittel eingesetzt werden können.
Rückblickend sei vermerkt, dass der erfindungsgemässe Erfolg der Läuferbeeinflussung, neben dem getakteten Schliessen undöffnen im galvanischen Kreis, auch durch kontinuierliches Zündpunktverzögern, zwischen Läuferspannung und Läuferstrom-Zündeinsatz an den antiparallelgestellten Lichtbogenstrecken, zu erreichen ist, so dass das damit erzielte Integral des Stromes über der Zeit den getakteten Impulsflächen der Erfindung entspricht, was aber wegen des erhöhten Blindleistungsaufwandes nicht angestrebt wird.
Um Unterbrechungen im Läuferkreis entbehrlich zu machen und den erfindungsgemässen Antrieb ohne Schleifringe zu gestalten, können an den Rotor angebaut, die Transduktorinduktivitäten bzw. Halbleiter oder Ventile umlaufend angeordnet werden, wobei die notwendige Taktgabe induktiv übertragen werden kann wie in Fig. 4 angedeutet ist.
Das stehende Windungssystem W 1 kann mit einer bestimmten, gegebenenfalls die Läuferdrehzahl berücksichtigenden Frequenz beaufschlagt werden. Das Windungssystem W am Läufer übernimmt über den Luftspalt transformatorisch die Steuerleistung, die mitTrockengleichrichter T und Glättungskondensator C einen steuernden Gleichstrom J zur Verfügung stellt. Dieser kann gegebenenfalls die Relaiskontakte wie in Fig. 2 dargestellt steuern, eine Gittervorspannung erzeugen oder Halbleiterventile zur Freigabe anregen.
Die in Fig. 4 angedeutete induktive Übertragung einer Beeinflussung kann selbstredend elektronisch oder auch photoelektrisch bzw. kombiniert erfolgen.
Fig. 5 soll an zwei möglichen Kennlinien die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutern. Das Anlaufmoment ist mit'dem Punkt A, das Nennmoment mit der Ahzisse von C, sowie das Kippmoment mit der Abzisse von K wie bekannt, bestimmt. Der Läuferschlupf besitzt im Synchronpunkt S den Wert 0. Im Läufer herrscht Gleichstrom. Dieser Zustand ist elektronisch nicht zu unterbrechen. Der Kennlinienbe-
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reich, zwischen Synchronpunkt bzw. unterstütztem Leerlaufzustand und dem Kipp-Punkt, ist ohnehin. wie bekannt, der normale ausgenützte stabile Bereich jedes Asynchronmotors. Im allgemeinen beschreibt der Kipp-Punkt K im Läuferkreis einen Zustand, dessen Schlupf iur wenige Prozent beträgt. Werden 10%, die im allgemeinen eintreten, angenommen, so herrscht eine Läuferfrequenz von 5 Hz.
Es ist also nur mög-
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herigen Konstanz der Spielzeit, sichere Abschaltungen zu erzielen und damit ein Verschwinden des antreibendenMomentes zu erreichen bzw. damit die Drehzahl beliebig herunterzusetzen, um letzten Endes einen stabilen Drehzahlzustand am labilen Ast der Kennlinien eines Asynchronmotors zu erreichen. In Fig. 5 sind damit die Punkte Cl und C, allgemein beschrieben C, liegt dabei auf einer Kennlinie, die im Läuferkreis einen Ohm'schen Widerstand vorgeschaltet hat, um das Anzugsmoment gegeben durch den Punkt : A. 2, wie bekannt, zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung setzt die Respektfrequenz herunter und somit den durch Steuerung be-
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in Fig. 5 dargestellt ist. Dies geschieht auf Grund einer Taktgabe, deren Summe aus Ein- und Ausschaltzeit tE + tA nicht konstant ist, sondern durch ein Ein-und Ausschalten des Läuferstromkreises auf elektronischem Wege, abhängig von der Abweichung des Drehzahl-Istwertes vom Drehzahl-Sollwert, erfolgt.
Fig. 6 verdeutlicht diesen Vorgang. Der zeitliche Drehzahlanstieg ist im allgemeinen durch eine Exponentialkurve beschrieben, deren Zeittonstante TE ihn kennzeichnet. Für das Ein- bzw. Ausschalten gilt :
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<tb>
<tb> Dabei <SEP> stellen <SEP> vor <SEP> : <SEP> e.......... <SEP> das <SEP> Trägheitsmoment,
<tb> (J).......... <SEP> die <SEP> höchste <SEP> Winkelgeschwindigkeit,
<tb> Ma......... <SEP> das <SEP> Maschinenantriebsmoment.
<tb>
W.......... <SEP> das <SEP> Widerstandsmoment,
<tb> n.......... <SEP> die <SEP> Drehzahl.
<tb>
Der Index E bezeichnet den Vorgang des Einschaltens und der Index A bezeichnet den Vorgang des Ausschaltens.
Fig. 6 zeigt, wie eine von der Regelgrösse Drehzahl direkt abhängige Zweipunktregelung durch zeitwelses Abschalten des Antriebsmomentes, bei vorhandenem Widerstandsmoment, einen mittleren Dreh zahlverlauf nm ermöglicht. Wird das Widerstandsmoment plötzlich verändert, wobei sein Wert selbstredend kleiner als das Motordrehmoment sein muss, so kann die gleiche Drehzahl beibehalten werden, wobei sich aber die Zweipunktregelung nach einem veränderten Zeitgesetz, wie in Fig. 6 eingezeichnet ist, abspielt.
Ein grösseres Widerstandsmoment W verkleinert die Ausschaltzeit-Konstante TA und erhöht die Einschalt-
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der Kennlinien der Asynchronmaschine vorgetrieben werden kann.
Der Wirkungsgrad, der bis zu Null stabil herunter regelbaren Drehzahl eines Asynchronmotors, wird auf diesem Wege verbessert, da Zeitabschnitte auftreten, die bei Wegnahme des Maschinendrehmomentes selbstredend die dabei auftretenden Verluste entsprechend vermindern. So erscheint daher im Mittelwert die aufgewendete Wirkleistung als kleinerer Betrag gegenüber jenem theoretischen Wert, der bekannterweise am labilen Ast der Kennlinie eines Asynchronmotors nur aus dem Kreisdiagramm gewonnen werden kann. Ganz Entsprechendes gilt für den Blindleistungsbedarf dessen ähnliche Verkleinerung im Mittel einen günstigeren cos So ergibt.
Eine durch Kondensatoren mögliche selbsttätige Blindleistungskompensation am Ständer oder auch
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an den Schleifringen ist im Bereich niedrigster Drehzahlen angepasst und wirtschaftlich, da dort mit grösserem Schlupf und damit höherer Läuferfrequenz gerechnet werden kann. Bey mittleren und höheren Drehzahlbereichen bleibt es unbenommendenKapp'schenVibrator oder irgend eine phasenverbessernde Hinter- maschine einzusetzen. Bei letzteren ist es angezeigt, die kompensierende Blindleistung im Takt der Regelung zu liefern bzw. auch möglichst anderweitig verlangte Kompensationsleistung zur Verfügung zu stellen, um die Spannung des angeschlossenen Wechselstromnetzes konstant zu halten.
Um die Dynamik der Drehzahlregelung zu verbessern, kann bei überhöhter Drehzahl eine Rückholung durch Wirbelstrombremsung erfolgen. Z. B. mit Hilfe einer eingebauten oder über die Welle gekuppelten Bremsscheibe, deren Gleicherregung abhängig von der Abweichung des Drehzahlsollwertes vom Drehzahlistwert erfolgt, wobei auch hier mit induktiver Übertragung z. B. wiein Fig. 4 dargestellt, ohne Schleifringe gearbeitet werden kann. Um die Rückholung der Drehzahl zu verbessern werden im Drehstrom-System mindestens vor zwei Ständerphasen Stromrichterelemente in Antiparallelschaltung angeordnet, um das Ständerdrehfeld durch eine gesteuerte Gleichrichterwirkung in ein Stehfeld umzuwandeln.
Dieselbe Anordnung, zusätzlich kreuzweise angebracht, bietet entsprechend antiparallel gesteuert eine kontaktlose Drehrichtungsumkehr.
PATENTANSPRÜCHE :
I Einrichtung zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren unter Verwendung steuerbarer Schalteinrichtungen ohne bewegliche Teile, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie mit den Sekundärwicklungen des Motors liegende steuerbare Stromrichter, Transduktoren oder Halbleiter derart geschaltet sind, dass der Sekundärstrom des Motors abgeschaltet wird, sobald die Motordrehzahl den Sollwert (in bestimmtem Masse) überschreitet und voll zugeschaltet wird (indem die Klemmen der Sekundärwicklung kurzgeschlossen werden1 sobald die Motordrehzahl den Sollwert unterschreitet.