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Einrichtung zum Steuern eines Drehstromasynchronmotors Die Erfindung befasst sich mit einer Einrichtung zum Steuern, z. B. auch nur zum Schalten, von Drehstromantrieben und bezweckt, eine kontaktlose Fernsteuerung von Maschinen und Geräten zu ermöglichen, um auf diese Weise Steuer- und Regelaufgaben, wie z. B. Stellungsregelungen, Nachlaufrege- lungen, Prozessregelungen, Regelungen mit mechanischer Beeinflussung der Regelgrösse, Regelungen elektrischer Grössen über mechanische Stellglieder usw. zu bewerkstelligen.
Ferner hat die Erfindung auch Bedeutung für Umkehrantriebe für grössere Arbeitsmaschinen, Aufzüge, Fördermaschinen, Walzenantriebe usw.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung unter Verwendung wenigstens eines Halbleiterelementes darin, dass jeder Wicklung des Asynchronmotors eine Gleichrichteranordnung und diesen Gleichrich- teranordnungen gemeinsam ein steuerbares Halbleiterelement zugeordnet ist.
Die Verwendung eines Asynchronmotors ohne Bürsten und Kollektoren erlaubt in Verbindung mit einer Steueranordnung ohne mechanische Kontakte ein Minimum an sich abnützenden Teilen, also auch ein Minimum an Wartung. Die Erfindung gestattet überdies, einen Motor normaler listenmässiger Ausführung mit üblicher Anschlussspannung verwenden zu können, um einen steuerbaren bzw.- regelbaren kontaktlosen Umkehrantrieb zu bewerkstelligen.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung.
In Fig. 1 ist das Prinzip der Steuerung eines Drehstrommotors mit Hilfe eines Transistors veranschaulicht. Der Transistor 41 liegt im Ausgangskreis einer Gleichrichteranordnung 42, welche an die Wicklun- gen des Drehstromasynchronmotors 43 angeschlossen ist. Der Motor besitzt eine dreiphasige, sogenannte offene Wicklung, die weder in Stern noch in Dreieck geschaltet ist.
Die Motorwicklungen sind einerseits an die Phasenleiter RST angeschlossen und stehen anderseits mit einem Gleichrichterpaar der Gleichrich- teranordnung 42 in Verbindung. Wenn der Transistor 41 sich in gesperrtem Zustand befindet, so ist die Gleichrichteranordnung 42 an ihrem Ausgang gewissermassen offen, so dass kein Strom fliesst.
Wird nun der Transistor durch Anlegen einer Steuerspannung an die Klemmen 44 und 45 geöffnet, so ist der Ausgang der Gleichrichteranordnung 42 gewissermassen kurzgeschlossen, so dass entsprechend der Gleichrich- terpaare für jede der Dreiphasenwicklungen für jede Halbwelle die Schaltung zu einer Sternschaltung geschlossen ist. Dieser Zustand ist praktisch dasselbe als ob durch einen Schalter mit mechanischen Kontakten die Anschlüsse der Motorwicklungen auf der Gleichrichterseite miteinander verbunden wären.
In Weiterbildung der Fig. 1 kann die Vorschal- tung der Gleichrichteranordnungen unter Zwischenschaltung eines Transformators oder deren mehreren erfolgen. Hierfür ist in Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht, welches überdies noch eine Drehrichtungsumkehr erlaubt. Zum Verständnis der Wirkungsweise sei zunächst die linke Seite des Schaltbildes betrachtet. Wie die Darstellung zeigt, sind die Klemmen UVW des Motors 43 nicht unmittelbar an die Phasenleiter RST angeschlossen, sondern über die Wicklungen 46, 47 und 48 eines Dreiphasentransformators.
Die entsprechenden Sekundärwicklungen des Transformators sind mit 49, 50 und 51 bezeichnet. In übereinstimmung mit der in Fig. 1 veranschaulichten Anordnung sind hieran die Gleichrichter 42 sowie der Transistor 41 mit dem Steuer-
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eingang 44 und 45 angeschlossen. Sind die Transformatorwicklungen sekundär unbelastet, so führen sie primär nur den Magnetisierungsstrom, der klein gegen den Nennstrom ist. Auf Grund der Symmetrie der Schaltung erhält der Motor auch bei relativ gro- ssen Magnetisierungsströmen kein Drehfeld.
Wird nun durch Anlegen einer Steuerspannung an die Klemmen 44 und 45 der Transistor 41 ge- öffnet, so werden die Sekundärwicklungen 49, 50, 51 über die Gleichrichteranordnung 42 kurzgeschlossen. Damit entsteht auch primär ein innerer Spannungsabfall im Transformator, der lediglich noch durch die Ohmschen und Streublindwiderstände bewirkt ist. Praktisch erhält der Motor die volle Netzspannung.
Prinzipiell kann der Drehstromtransformator 52 entweder als Spartransformator oder als solcher mit getrennten Primär- und Sekundärwicklungen ausgebildet sein. Die Verwendung galvanisch getrennter Primär- und Sekundärwicklungen hat den Vorteil, dass man den Gleichstrom- und Transistorkreis potentialmässig vom Motorstromkreis trennen kann. Auf diese Weise kann der Transistor mit einem Pol auf Null- oder Erdpotential gelegt werden, was in vielen Fällen wünschenswert ist. Dies bietet auch weiterhin den Vorteil, dass die Steuerspannung ebenfalls mit einer einpolig geerdeten Stromquelle erzeugt werden kann.
Im übrigen sei erwähnt, dass die Steuerung des Transistors in verschiedener Weise erfolgen kann. So kann eine getrennte Stromquelle vorgesehen sein, die der Steuerung dient, wobei das Öffnen des Transistors entweder dadurch bewerkstelligt wird, dass eine vorher wirksame Vorspannung aufgehoben wird oder dass der Steuervorgang in der Weise eingeleitet wird, dass eine Spannung angelegt wird, die einen Strom in die Steuerelektrode des Transistors treibt.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung weist noch insofern eine Besonderheit auf, als sich mit ihr eitre Richtungsumkehr des Motors bewirken lässt. Zusätzlich zu dem Transformator 52 ist ein gleich oder gleichartig aufgebauter zweiter Transformator53 vorgesehen, dessen Sekundärseite ebenfalls mit einer Gleichrichteranordnung 54 und Einem Transistor 55 mit den Steuerelektrodenanschlüssen 56 und 57 versehen ist. Um eine Drehrichtungsnmkehr zu erzielen, sind hier die Phasenleiteranschlüsse für die Phasenleiter R und S miteinander vertauscht.
Durch Anlegen von Steuerspannungen an die Klemmen 56 -und 57 ergibt sich die entgegengesetzte Drehrichtung des Motors 43 im Vergleich zum Anlegen von Steuer- spannungen an die Klemmen 44 und 45. Der Trans- formator 53 ist mit den Primärwicklungen 58, 59 und 60 sowie den Sekundärwicklungen 61, 62 und 63 versehen.
Durch die transformatorische Kopplung von Motorkreis und Transistorkreis ergibt sich noch der weitere Vorteil, dass auf .diese Weise eine günstige Anpassung an die Transistordaten durch Wahl der Transformatorübersetzung möglich ist. Dadurch ist man in der Wahl des Motors ausserordentlich freizügig und kann Motore normaler Bauart verwenden, ohne sich auf solche mit Wicklungen abweichender Wickeldaten beschränken zu müssen. Weiterhin kann der Motor nach Wahl in Stern- oder Dreieckschaltung betrieben werden.
Wird der Motor ohne Nulleiter betrieben - was in vielen Fällen wünschenswert ist so können an Stelle der in Fig. 2 dargestellten Dreiphasentransformatoren 52 und 53 jeweils Einphasentransformatoren verwendet werden. Hierfür ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Hier ist wiederum eine für Drehrichtungsumkehr geeignete Schaltung veranschaulicht, die in ihren Eigenschaften wesentlich mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung übereinstimmt.
Für die am Phasenleiter T liegende Wicklung des Motors 43 ist hier keine Transformatorwicklung vorgesehen. Wicklungen von Transformatoren liegen lediglich an den Phasenleitern R und S und sind in übereinstimmung mit der Darstellung gemäss Fig. 2 mit 46, 47 und 58, 59 bezeichnet. Die zugehörigen Sekundärwicklungen sind mit 49, 50 und 61, 62 bezeichnet. Wie die Darstellung zeigt, vereinfacht sich die Schaltung dadurch erheblich, abgesehen davon, dass die vier Einzeltransformatoren unter Umständen einen geringeren Aufwand darstellen als zwei Dreiphasentransformatoren. Ist der Strom in jeweils zwei Phasenwicklungen gesperrt, so kann die dritte auch leinen Strom führen.
In Fig. 3 ist noch eine weitere Besonderheit ver- anschaulicht. Durch die induktiven Komponenten im Motorstromkreis können nämlich unter Umständen Überspannungen an den Transistoren auftreten. Zum Schutz der Transistoren gegen überspannungen kann im Ausgangskreis der Gleichrichteranordnung parallel zum steuernden Halbleiter jeweils eine Reihenschaltung eines Kondensators und eines mit einem Widerstand überbrückten Gleichrichters oder einer ähnlichen Anordnung vorgesehen sein, wobei die einzelnen Schaltelemente so zu bemessen sind, dass ein Entstehen schädlicher überspannungen am steuerbaren Halbleiter weitgehend vermieden ist.
An den Kondensatoren 64 und 65 liegt normalerweise eine Spannung, die etwas niedriger als die Spannung am gesperrten Transistor ist. Wird der Transistor geöffnet, so entlädt sich der Kondensator langsam über den Reihenwiderstand, d. h. der Kondensator 64 über den Widerstand 66 und der Kondensator 65 über den Widerstand 67. Sperrt der Transistor erneut, so ist ein Stossstrom auf den Kondensator über den Gleichrichter 68 beim Kondensator 64 und den Gleichrichter 69 für den Kondensator 65 kurzzeitig möglich, bis der jeweilige Kondensator seine Ausgangsspannung wieder erreicht hat. Entspricht die vom Kondensator aufnehmbare elektrische Energie der magnetischen Energie des Drehstromkreises, so treten keine Überspannungen am Transistor auf.
Wie die Darstellungen gemäss den Fig. 2 und 3 zeigen, werden je nach Aussteuerung der Transistoren die Transformatoren mehr oder weniger kurzgeschlossen, und es wird daher den Motorwicklungen ein
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mehr oder weniger grosser Strom zugeführt. Bei einer kontinuierlichen Steuerung der Transistoren ist jeder Zwischenzustand zwischen dem Nullwert des Stromes und dem Höchstwert möglich. Dabei müssen allerdings hohe Verluste am Transistor bei teilweiser Aussteuerung in Kauf genommen werden.
Eine solche Steuerung eignet sich überwiegend für kleinere Leistungen, da die Transistoren verhältnismässig gross gewählt werden müssen und die Anordnung mit geringem Wirkungsgrad arbeitet. In vielen Fällen ist es daher zweckmässig, eine Zweipunktsteuerung anzuwenden, bei der nur zwei Zustände des Transistors oder sonstigen steuerbaren Halbleiters ausgenutzt werden. Es wird also stets Maximalstrom und Minimalstrom abwechselnd ausgenutzt, wodurch sich die Verlustleistung gering halten lässt und Transistoren kleiner Bauart verwendbar sind.
In an sich bekannter Weise kann die Steuerung auch als Impulsbreitensteuerung ausgebildet sein, indem man zwischen den Grenzzuständen mit Stromwert Null und Höchstwert rhythmisch hin und her schaltet, wobei diese Frequenz unter Umständen gegen die Speisefrequenz hoch gewählt wird. Hierbei lässt sich das zeitliche Verhältnis der beiden Zustände variieren, wobei man entweder bei gleichbleibender Frequenz das Verhältnis zwischen Vorhandensein des Impulses und Abstandes bis zum nächsten Impuls ändert oder bei gleichbleibender Impulsbreite die Frequenz variiert.
Weiterhin ist es auch möglich, die Impuls- breitenänderung als Steuerung nach Art der bekannten Stromtorsteuerungen auszunutzen, indem man in jeder Halbwelle die Impulsbreite von Null bis zum Höchstwert verändert.
Der in den Transistoren auftretende Gleichstrom hat eine sechsphasige Oberwelligkeit und ist daher bereits ohne zusätzliche Glättungsmittel oberwellen- arm. Die Auslegung muss stets nach dem grössten Augenblickswert des Stromes erfolgen. Die strommässige Ausnutzung der Transistoren ist daher sehr gut.
Die Sperrspannung ist nur für den einfachen Scheitelwert der auftretenden verketteten Wechselspannung auszulegen, da die negative Spannungshalbwelle durch die Gleichrichter übernommen wird. Dies macht die Schaltung den bereits bekannten Transistorschaltungen überlegen, bei denen die doppelte Scheitelspannung durch den Transistor zu sperren ist. So- mit erlaubt die Erfindung eine besonders günstige spannungsmässige Ausnutzung der Transistoren.
Für verschiedene Anwendungsfälle kann eine Bremsung des Motors wünschenswert sein. Eine solche Möglichkeit ist beispielsweise durch Steuerung auf Gegendrehfeld durch ein Vorhalteglied in der Vorstufe erreichbar. Die beschriebenen Anordnungen lassen sich mit den bekannten Massnahmen zur Bremsung in geeigneter Weise vornehmen.