Verfahren zur Steuerung eines zum Antrieb eines Hebezeuges dienenden Drehstrom Reihenschluss-Kollektormotors beim Senken einer Last. Die Anwendung von Reihenschluss-Kol lektormotoren im Hebezeuggebiet ist be kannt. Eine Schaltung für einen derartigen Motor ist in den Abb. 1 bis 4 dargestellt.
In Abb. 1 ist der Kollektormotor in sei ner Nullstellung gezeichnet. Werden die Bürsten U, V, W nach Abb. 2 in Pfeilrich tung B verschoben, so ergibt sich die Dreh richtung des Läufers in Pfeilrichtung D, die der Lastbewegung beim Heben entspricht. Das Ständerdrehfeld in Richtung C ist gleichsinnig der Läuferdrehrichtung D und das Motordrehmoment F vergrössert sich mit Zunahme der Verschiebung der Bürsten in Pfeilrichtung B.
Bevor der Kollektormotor mit seinem Ständer für umgekehrte Ständer-Drehfeld richtung zum Senken an das Netz geschaltet wird, werden die Ständeranschlüsse an den Bürsten kreisläufig umgeschaltet, wie dies in Abb. 3 angegeben ist. Diese Bürstenumschal tung bringt ohne Bürstenverschiebung das gleiche Motordrehmoment, als wenn die Bür- stenbrücke um 120 elektrisch nach Abb. 2 in Pfeilrichtung B verschoben würde. Dies genügt, um auch der grössten vorkommenden Last bei kleinster Senkgeschwindigkeit das Gleichgewicht zu halten. Werden die Bür sten in der umgekehrten Richtung als beim Heben nach der in Abb. 3 angegebenen Pfeilrichtung B verschoben, so wird das Mo tordrehmoment kleiner und die Senkgeschwin digkeit grösser.
Nach Verschieben der Bür sten von 120 auf 0 (elektrische Grade) in der in Abb. 3 angegebenen Pfeilrichtung B, hat das im Hubsinn wirkende Drehmoment F des Kollektormotors den Wert Null. Durch weiteres Verschieben der Bürsten über 120 elektrische Grade hinaus nach Abb. 4 kehrt die Richtung des Motordrehmomentes F um. Dieser Teil des Senkbereiches dient zum Sen ken des Hakens und leichter Lasten unter Kraft. Mit E ist die Richtung des Last drehmomentes bezeichnet.
Bei dieser Schaltung ergeben sich Regel kurven, die in Abb. 5 dargestellt sind. Die Kurven im Quadranten a bedeuten "Heben", im Quadranten b "Senken mit Kraft bei leichten Lasten oder leerem Haken" und im Quadranten c "Senken mit Gegenstrom bei schweren Lasten". Der Drehzahlverlauf ist dabei in Abhängigkeit vom Motordrehmoment für verschiedene Bürstenverschiebungswin kel aufgetragen, deren Grösse in elektrischen Graden angegeben ist.
Durch die kreisförmige Umschaltung der Bürstenanschlüsse (Abb. 3 und 4) entspre chen in den Quadranten b und c: plus 120 elektrische Grade = Null Grad räumlicher Bürstenverschiebung, plus 20 elektrische Grade = minus 100 räumlicher Bürstenverschiebung, und minus 60 elektrische Grade = minus 180 räumlicher Bürstenverschiebung.
Hierbei wird die räumliche Bürstenver schiebung beim Beginn des Senkens nach der kreisläufigen Vertauschung mit Null Grad bezeichnet. Die Regelkurven auf der Hub seite im Quadranten a genügen allen billigen Ansprüchen, und die Regelung ist genau so gut wie beim Gleichstrommotor mit Haupt stromwicklung. Die Regelkurven der Senk seite im Quadranten b ergeben sich beim Senken mit Kraft, die im Quadranten c beim Senken mit Gegenstrom und verlaufen ziem lich steil, so dass die Gefahr besteht, dass grosse Lasten bei zu starker Auslage der Steuerhebel zu schnell gesenkt werden.
Fer ner hat die Schaltung auch den Nachteil, dass infolge des zum Senken mit Gegenstrom ein geschalteten Motordrehmomentes für Heben die leichte Last bezw. der leere Haken Be hoben statt gesenkt wird, wenn das Motor drehmoment grösser ist als das Drehmoment der leichten Last bezw. des leeren Hakens. Für eine einwandfreie Senkschaltung ist aber zu fordern, dass die Regelkurven weniger steil verlaufen, ähnlich wie bei Verwendung von Gleichstrommotoren oder wie bei der Leonard- Schaltung, und dass die Drehrichtung des Motors in einer Senkschaltstellung unab hängig von der Grösse der Last bestimmt ist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch er reicht, dass zum Senken Widerstände paral- lel zum Läuferkreis geschaltet werden und die Drehzahlregelung durch Bürstenverschie bung so erfolgt, dass das durch Bürstenver schiebung hervorgerufene, der beabsichtigten Lastbewegung entgegengesetzte Motordreh moment höchstens gleich dem Lastdreh moment vermehrt um dasjenige Motordreh moment ist, das durch die Parallelwider stände erzeugt wird.
Schaltet man den Kollektormotor mit einem beweglichen Bürstensatz an das Netz und stehen die Bürsten in der Ausschaltstel lung nach Abb. 6, so ist sein Drehmoment und seine Drehzahl Null. Das im Ständer kreis befindliche Drehfeld vermag zunächst auf den Läufer keine drehende Bewegung auszuüben, da die magnetischen Achsen des Ständers und des Läufers zusammenfallen. Verbindet man aber die Bürsten U, V, W bei unveränderter Stellung über Ohmsche Wider stände 16 in Dreieck oder Stern nach Abb. 7 oder 8, so entwickelt der Kollektormotor ein Drehmoment, das für eine bestimmte Dreh zahl durch die Grösse der Widerstände ge geben ist. Der Kollektormotor verhält sich in dieser Schaltung sowohl als Motor, wie auch als Generator laufend wie eine Asyn chronmaschine mit Schleifringläufer.
Die Höchstdrehzahl des Motors ist für die in Frage kommende Belastung begrenzt und durch die Widerstandsbemessung einstellbar, was beim Senken von Lasten von besonderer Wichtigkeit ist. Die Drehrichtung des Läu fers ist mit der des Ständerdrehfeldes gleich gerichtet, dem der Läufer als Motor mit einem bestimmten Schlupf nacheilt bezw. als Generator voreilt.
Werden nun ausserdem die Bürsten in der einen oder andern Richtung von der Nullstel lung aus verschoben, so kommt zu dem be reits vorhandenen Motordrehmoment ein wei teres hinzu, das von der Bürstenverschiebung, also von der Verschiebung der magnetischen Achsen des Ständers und Läufers zueinander herrührt und sieh vom ersteren abzieht oder hinzufügt. Hierdurch ist es möglich, nahezu jede untersynchrone Drehzahl bei jeder Be lastung zu erhalten. Bei Verwendung eines Kollektormotors mit doppeltem Bürstensatz und eines Zwi- chentransformators ergibt sich nach den bis herigen Ausführungen folgende, in den Abb.
9 bis 11 dargestellte Schaltung: In diesen bezeichnet G1, H1, G2, H2 und G3, H3 die Ständerwicklung, die in Reihe mit der Primärwicklung des Zwischentransfor mators liegt, U, X, V, Y und W, Z ist die Sekundärwicklung des Zwischentransforma tors, die mit den Bürsten verbunden ist.
In Abb. 9 stehen die Bürsten des Kollek tormotors in der Nullstellung. Zum Beben wird der bewegliche Bürstensatz entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn verschoben. Dann dreht sich der Läufer im Uhrzeigersinne (Hubsinn). Die Richtung des Ständerdreh feldes C stimmt mit der Läuferdrehrichtung D überein (Abb. 10).
Für das Senken ist folgende Läuferschal tung auszuführen, bevor der Ständer ent gegengesetzt der vorhergehenden Ständer drehfeldrichtung an das Netz geschaltet wird. Zwischen je einer festen und beweglichen, jedoch nicht phasengleichen Bürste wird ein Ohmscher Widerstand 16 eingeschaltet (Abb. 11).
Um nun die kleinsten Senkgeschwindig keiten zu erhalten, ist es nötig, die beweg lichen Bürsten in die in Abb. 10 dargestellte Lage zu bringen, in welcher das durch die Bürstenverschiebung hervorgerufene Dreh moment höchstens gleich der Summe des Lastdrehmomentes und des durch die Paral lelwiderstände erzeugten Motordrehmomentes ist, wobei das Ständerdrehfeld in Richtung C (Abb. 11) kreist. Eine solche Steuerweise ist jedoch aus mechanischen Gründen zu um ständlich und daher unerwünscht. Deshalb werden, ebenso wie bei der erst beschriebenen Gegenstromschaltung, die Bürstenanschlüsse kreisläufig vertauscht, wodurch sich sofort nach Anschaltung des Kollektormotors an das Netz die kleinste Senkdrehzahl einstellt.
Damit das durch die Bürstenvertauschung entstehende Drehmoment den Motor nicht im Hubsinne beschleunigen kann, wird die Ein- schaltung des Motors erst dann vorgenom men, wenn der Steuerhebel des Steuergerätes schon einen gewissen Ausschlag für die Senkrichtung ausgeführt hat. Der Weg, den der Steuerhebel beim Steuern im Senksinn ausführt, ohne dass der Motor eingeschaltet ist, wird so bemessen, dass das von der kreis läufigen Bürstenvertauschung herrührende Hubdrehmoment so weit geschwächt ist, dass es dem von den Parallelwiderständen erzeug ten Senkdrehmoment bei unbelastetem Motor das Gleichgewicht hält.
Aus Abb. 12 sind die flachverlaufenden Regelkurven der Senkseite nach der Erfin dung in dem Quadranten b und c ersichtlich, wobei die Drehzahl in Abhängigkeit vom Motordrehmoment bei bestimmten Bürsten verschiebungswinkeln angegeben ist. Die Winkel sind als positiv bezeichnet, wenn sich die im Motor erzeugten Asynchron- und Rei henschluss-Kollektordrehmomente subtrahie ren, dagegen negativ bezeichnet, wenn sich die beiden Drehmomente addieren. Hierbei entsprechen: plus 55 elektrische Grade plus 65 räumlicher Bürstenverschiebung, 0 elektrische Grade plus 120 räumlicher Bürstenverschiebung, minus 80 elektrische Grade plus 200 räumlicher Bürstenverschiebung.
Die zuzuschaltenden Widerstände 16, die zusammen mit den Läuferwicklungen einen gewissen Ohmschen Widerstandswert besit zen, können auch induktiv oder kapazitiv sein oder aus Kombinationen bestehen. Auch können die festen Bürsten über Widerstände kurzgeschlossen sein. Eine derartige Ver wendung von Widerständen ist auch bei Vor handensein nur eines Bürstensatzes möglich. Die Widerstände können regelbar gemacht und für die ganze Maschine beispielsweise in Form eines Anlassers zusammengefasst sein. Falls die Maschine Schleifringe an ihrem Läufer besitzt, können die Widerstände auch an diese angelegt werden.
In Abb. 13 und 14 sind praktische Aus führungsbeispiele nach der Erfindung dar gestellt. Abb. 13 zeigt, dass der Ständer 11 des Mo tors über einen Transformator 12 mit dem Läufer 13 verbunden ist. Ein fester Bürsten satz 14 und ein beweglicher Bürstensatz 15 sind durch verstellbare Widerstände 16 und Schalter 17 miteinander verbunden. Der be wegliche Bürstensatz ist beispielsweise über Zahnräder 18 mit Hilfe einer Handverstel lung 19 drehbar.
In Abb. 14 ist nur der feste Bürstensatz 14 durch verstellbare Widerstände 16 und Schalter 17 kurzgeschlossen.
In Abb. 15 ist ein Einphasenkollektor motor dargestellt. Der feste Bürstensatz wird dabei durch einen Widerstand kurzge schlossen. In Abb. 16 ist eine schematische Darstel lung eines Kollektormotors mit doppeltem Bürstensatz gegeben. Der feste Bürstensatz 14 befindet sich innen, der bewegliche Bür stensatz 15 aussen. Je ein Paar von dem festen und beweglichen Bürstensatz ist durch die Transformatorspule 20 verbunden. Eine feste Bürste und eine in der Phasenfolge nächste bewegliche Bürste sind über den ver stellbaren Widerstand 16 und den Schalter 17 verbunden.
Anhand der Abb. 16 bis 21 soll nun die Wirkungsweise der Läuferwiderstände ge zeigt werden. Nach Abb. 16 liegt der Stän der des Motors am Netz, und zwar so, dass das Ständerdrehfeld mit dem Drehsinn des Läufers übereinstimmt, wie durch die Pfeile angedeutet. Die festen und beweglichen Bür sten befinden sich dabei auf derselben Kol lektorlamelle, so dass über je zwei Bürsten die Transformatorphasen kurzgeschlossen sind. Nach der Theorie kann dabei der Mo tor kein Drehmoment (Abb. 17) entwickeln und die Drehzahl ist gleich Null.
Schaltet man nun die zwischen den festen und den in der Phasenfolge nächsten beweglichen Bür sten liegenden Widerstände 16 ein (Abb. 18), so läuft der Motor trotz unverschobener Bür stenverstellung an und verhält sich bezüglich Drehmoment und Drehzahl wie ein Asyn chronmotor mit Schleifringen in seiner Widerstandsanlassschaltung (Asynchrondreh moment A).
Werden bei nicht eingeschalteten Wider ständen 16 die Bürsten 15 verschoben, so er gibt sich ein Bild, wie es Abb. 19 zeigt (Rei henschluss-Drehmoment M). Sind dagegen die Widerstände eingeschaltet, und es werden zusätzlich die Bürsten 15 verschoben, wie es in Abb. 20 und 21 gezeigt ist, so entsteht ein zusätzliches Drehmoment, das sich je nach der Bürstenverschiebung (M) mit dem durch die Widerstandseinschaltung (A) entstehen den Drehmoment nach Abb. 20 subtrahiert oder nach Abbildung 21 addiert (Wirkdreh moment N). Die sich einstellenden Drehzah len sind dadurch von der Einstellung der Ohmschen Widerstände und der Bürstenaus lage abhängig und von Null bis zu einer Höchstdrehzahl regelbar.
Daraus ergibt sich, dass die derartig durchgebildete Steuerung sich sowohl als Bremsschaltung, als auch für Kraftschaltung eignet, ohne dass ein kriti scher Drehzahlenbereich und eine Umschal tung des Motors, also eine Freifallstellung, vorhanden ist.
Wenn in Abb. 16 die Widerstände ein geschaltet und die Bürsten um 120 in Pfeil richtung verschoben sind, so ist der Wider stand kurzgeschlossen und der Motor würde im generatorischen Zustand in dieser Stellung durchgehen. Diese beim generatoriscben Zu stand unerwünschte Stellung wird dadurch verhindert, dass eine Bürstenverschiebung um 120 durch Anschläge oder Verriegelung der Bürstenbrücke oder dergleichen nicht mög lich ist.
Sind dagegen, wie in Abb. 14 und 15 die festen Bürsten durch die Widerstände kurz geschlossen, so ist ein Durchgehen des Motors ausgeschlossen. Es kann deshalb diese Schal tung auch vorteilhaft dazu verwandt werden, um den Motor selbsttätig gegen zu hohe Drehzahlen zu schützen, indem in Abhängig- ]zeit von der Läuferspannung, dem Läufer strom oder durch einen Zentrifugalkontakt diese Widerstandsschaltung durch ein Schütz herbeigeführt wird.
Aus den Ausführungen zu Abb. 20 und 21 geht hervor, dass zur Erreichung der Drehzahl Null bei unbelasteter Maschine der bewegliche Bürstensatz so weit verschoben werden muss, dass sich beide Drehmomente (nämlich das durch den verstellbaren Wider stand erzeugte (A) und das durch die Bür stenverschiebung (M) erzielte) im Gleich gewicht halten. Nimmt man diese Stellung, die sich bei dieser Bürstenverschiebung er gibt, als Nullstellung an, so tritt für die Hubdrehrichtung eine Beschränkung des Re gelbereiches ein.
U m diesen Nachteil zu vermeiden, kann man entweder die früher besprochene zy klische Bürstenvertauschung beim Senken, oder für den Regulierhebel eine Schlitzsteue rung, wie sie in Abb. 22 dargestellt ist, ver wenden. Der Schlitz 21 dient für die Hub bewegung und der Schlitz 22 für die Senk bewegung der Last. Wird der Steuerhebel im Schlitz 21 von der mit Null bezeichneten Stellung, die der neutralen Lage der Bür stenbrücke entspricht, in der Richtung des Pfeils ausgelegt, so stellt sich die Motordreh richtung für Heben ein. Um nun auch für das Senken der Last einen Teil der für das Heben erforderlichen Steuerhebelauslage be ziehungsweise Bürstenverschiebung auszu nutzen, wird der Steuerhebel von der Null stellung im Schlitz 21 durch den Querschlitz 23 bei ausgeschaltetem Motor zur Nullstel lung im Schlitz 22 übergeführt.
Demnach sind für die Hubbewegung und für die Senk bewegung zwei verschiedene Nullstellungen vorhanden. Dadurch erreicht man, dass die Bürstenverschiebung sowohl beim Heben wie beim Senken nicht beschränkt wird.
Es hat sich aber auch gezeigt, dass beim Regulieren des Motors durch Bürstenver schiebung und Verändern der Widerstände im Läuferkreis die Stromaufnahme des Mo tors etwas höher ist als die normale. Da je doch beim Senken nur ein Teil der Leistung des Motors benötigt wird, so kann die Strom aufnahme durch Vorschaltwiderstände zwi schen Netz und Motor herabgesetzt werden. Es ist auch weiterhin möglich, gleichzeitig mit dem Verschieben der Bürsten die Wider stände im Läuferkreis und die Vorschalt widerstände gleichzeitig einzustellen bezw. zu verstellen. Ebenso ist natürlich eine von einander unabhängige Regelung denkbar.