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Es ist eine bekannte Tatsache, dass Gleichstrommaschinen im Stillstand nur sehr kurze Zeit einen hohen
Strom führen können, da es sonst zu einer örtlichen überhitzung des Kollektors kommt. Im allgemeinen darf nur ein Bruchteil des Nennstromes im Stillstand dauernd fliessen.
Der übliche Schutz gegen Überlastung drehzahlgeregelter Gleichstrommotoren besteht aus einer
Strombegrenzung, die den Strom auf ein bestimmtes Vielfaches des Nennstromes begrenzt (z. B. 2-facher
Nennstrom, ein Wert, bei dem die Maschine noch einwandfrei kommutiert), und aus einem Schutz gegen thermische Überlastung (Bimetallauslöser usw. ).
Diese Schutzart genügt meist nicht bei Stillstandsbelastung, da sehr oft eine kurzzeitige überlastbarkeit des
Antriebes gefordert wird, wobei unter kurzzeitig mindestens 10 sec zu verstehen sind. Dies ist auch thermisch unbedenklich, ausser im Stillstand. Im Stillstand würde der Kollektor bei einer 10 sec dauernden Belastung mit doppeltem Nennstrom bereits unzulässig erwärmt werden, was zu Anbrennungen oder Aufsteigen von Lamellen führen kann. Hier ist eine zusätzliche Schutzeinrichtung notwendig, die nur bei Stillstand wirksam ist und die den der Strombegrenzung entsprechenden Strom nur sehr kurze Zeit (z. B. 1 bis 2 sec) zulässt. Eine Herabsetzung der Strombegrenzung ginge auf Kosten des Anlaufmomentes und der überlastbarkeit im Lauf.
Eine derartige Schutzeinrichtung muss folgende Funktionen ausüben : a) Unterscheiden zwischen Stillstand und Lauf b) Registrieren, ob im Stillstand Strom fliesst c) Dauer einer hohen Stillstandsbelastung begrenzen.
Solche Einrichtungen sind bekannt. Sie werden unter Verwendung von Drehzahlwächtern (oder einer Überwachung der Tachospannung mittels sehr empfindlicher Relais), Hilfsrelais, Zeitrelais oder Bimetallauslöser zusammengebaut. Hier sei auch auf die Einrichtung nach der österr. Patentschrift Nr. 237076 hingewiesen, bei welcher, solange Motorstrom fliesst und der Motor dabei stillsteht, ein Kondensator aufgeladen wird, der bei Erreichen einer bestimmten Spannung eine Schutzmassnahme auslöst, wenn er nicht vorher infolge einer Bewegung des Motors oder etwa infolge Absinkens des Motorstromes auf einen ungefährlichen Wert rasch wieder entladen wird.
Die Erfindung bezweckt den Bau einer Schutzeinrichtung, die im Zusammenhang mit einem elektronischen Drehzahlregler vollkommen kontaktlos arbeiten kann und auf eine direkte Stillstandsüberwachung verzichtet. Gegenstand der Erfindung ist nämlich eine insbesondere vor Kollektorschäden schützende Einrichtung zur Erfassung der Stillstandsbelastung von mit Drehzahlregelung durch Soll-Ist-Wert-Vergleich ausgerüsteten Gleichstrommotoren oder andern Kollektormaschinen, mit dem Kennzeichen, dass eine den Quotienten aus Drehzahl-Soll-und-Istwert überwachende Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die etwa ähnlich aufgebaut ist, wie eine den Soll-Istwert-Vergleich für die Drehzahlregelung vornehmende Schaltung, jedoch eine Schwellenwertcharakteristik aufweist, so dass sie nur dann, wenn der genannte Quotient höhere Werte erreicht, als im normalen Regelbetrieb vorkommen,
also bei Überlastung im Stillstand, eine Schutzmassnahme, beispielsweise Verstellung des Stellgliedes oder eine Gefahrenabschaltung, auslöst.
Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung sind den in den Fig. l bis 3 der Zeichnungen dargestellten, nachstehend erläuterten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
In Fig. l ist ein Drehzahlregler--Ui-- (PI-Regler) mit unterlagertem Stromregler--u--dargestellt, so wie er heute im wesentlichen aufgebaut ist. Die symbolisch dargestellten Regelverstärker kehren das Vorzeichen um, die Polarität des Drehzahlsollwertes ist willkürlich, u. zw. negativ, angenommen. Eine Zenerdiode--Z-- begrenzt den Stromsollwert und damit den Strom selbst.
Der erfindungsgemässe Schutz gegen Stillstandsüberlastung besteht hier nun darin, dass der Drehzahlsollwert und der Drehzahlistwert in Form von Spannungen einem integrierenden Verstärker--V--eingegeben und
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Sollwert unendlich mal grösser als der Istwert ist.
Bei einer Stillstandsbelastung, die dadurch entsteht, dass die Drehzahl dem Sollwert nicht folgen kann, beginnt nun Verstärker--V--zu integrieren. Seine Ausgangsspannung ist bei der angenommenen Polarität des Sollwertes positiv und proportional dem Integral der Sollwertspannung über die Zeit. Nach Überschreitung der Durchbruchspannung der Zenerdiode--Z--wird dem Drehzahlregler ein sehr hoher Drehzahlistwert vorgetäuscht und deshalb der Strom mittels des bei--St--angeschlossenen Stellgliedes auf Null reduziert.
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- r2 und C--, sowie von der anliegenden Drehzahl-Sollistwertdifferenz. (Der Wert ist im Stillstand Null.) Erfolgt die Drehzahlsollwert-Vorgabe immer gleichmässig und kontinuierlich (z.
B. über Motorpotentiometer), ist mit der Ausführung nach Fig. l eine hinreichend genaue zeitliche Begrenzung der Stillstandsbelastung möglich.
Fig. 2 zeigt ausschnittweise eine der Fig. l entsprechende Schaltung, bei der jedoch auch bei willkürlicher (z. B. schlagartiger) Drehzahlsollwert-Vorgabe eine konstante Integrierzeit erreicht wird. Die Sollwertspannung wird zu diesem Zweck für den Eingang von--V--begrenzt, im einfachsten Fall, wie dargestellt, auf die Schwellenspannung einer Diode--D3--, die mit einem ohmschen Widerstand--R--einen Spannungsteiler bildet.
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Die feste Spannung-U-am Eingang des Widerstandes-r3- (Fig. l und 2) dient zum Rückstellen ("abintegrieren"), bzw. dazu, den Ausgang von--V-in eine definierte Ausgangslage zu bringen. (Negative Schwellenspannung der Diode--D1--.) Der Einfluss der Spannung--U--auf die Empfindlichkeit der Schutzeinrichtung kann sehr klein gemacht werden, da die Rückstellzeit lang sein darf.
Die Diode--D2--dient der sicheren Abblockung gegen unerwünschte Beeinflussung der Regelung durch die im normalen Betrieb schwach negative Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers--V--.
Handelt es sich bei dem Stellglied um einen Thyristorstromrichter, so kann der Ausgang von--V--an einen üblicherweise vorhandenen Sperreingang des Gittersteuersatzes gelegt werden.
Fig. 3 zeigt eine etwas modifizierte Anwendung im Zusammenhang mit einer Thyristorspeisung und Drehzahlregelung für zwei Drehrichtungen (antiparallel geschaltete Stromrichter). Um die Empfindlichkeit durch Entkopplungsdioden im Eingang nicht zu verringern, ist die Schutzeinrichtung für jede Drehrichtung getrennt aufgebaut.--VI--hat nur die Funktion der Vorzeichenumkehr. über--G--kann, wie oben erwähnt, eine Gittersperrung der Thyristoren erfolgen.
Die Erfindung ermöglicht die Erzielung einer Reihe wesentlicher Vorteile, wie vollkommen kontaktloses Arbeiten, hohe Zuverlässigkeit, Wegfall einer direkten Stillstandsüberwachung, einfacher Aufbau, vor allem wenn Verstärker, wie sie auch bei der Drehzahlregelung verwendet werden, in Bausteinform vorliegen, und schliesslich geringe Kosten im Vergleich zu konventionellen Schutzeinrichtungen gegen Stillstands-überlastung.
Erst bei einem betriebsmässig ausgenutzten Drehzahlregelbereich von mehr als 1 : 100 wird die Anwendung der Erfindung problematisch.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Schutz gegen Stillstands-Überlastung drehzahlgeregelter Gleichstrommotoren oder andern Kollektormaschinen, insbesondere vor Kollektorschäden schützende Einrichtung zur Erfassung der Stillstandsbelastung von mit Drehzahlregelung durch Soll-Istwert-Vergleich ausgerüsteten Gleichstrommotoren
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jedoch eine Schwellenwertcharakteristik aufweist, so dass sie nur dann, wenn der genannte Quotient höhere Werte erreicht, als im normalen Regelbetrieb vorkommen, also bei Überlastung im Stillstand, eine Schutzmassnahme, beispielsweise Verstellung des Stellgliedes oder eine Gefahrenabschaltung, auslöst.
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