Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bremsung eines Wechselstrommotors mit zumindest zwei Leistungswicklungen durch Kurzschliessen eines Teils der vom Netz abgeschalteten Leistungswicklungen, und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung kann z. B. in Werkzeugmaschinen und sonstigen Maschinen angewendet werden, wo es aus Gründen der Leistungssteigerung, bzw. der Unfallverhütung erforderlich ist, eine schnelle Abstellung der beweglichen Organe, beispeilsweise im Hauptantrieb von Bohr-, Fräs- und Drehmaschinen, in Vorschub antrieben von Bohr-, Dreh- und Schleifmaschinen sowie holzbearbeitenden und anderen Maschinen zu sichern.
Von den verschiedenen Verfahren, die eine Bremsung der Wechselmotoren ermöglichen, sind die elektrischen Verfahren, die diese Aufgabe ohne Anwendung von zusätzlichen mechanischen Einrichtungen lösen, am leichtesten automatisierbar und am bequemsten in der Steuerung.
Das einfachste von den bekannten elektrischen Bremsverfahren für Wechselstrommotoren ist die Gegenstrombremsung, die auf der Änderung der Phasenfolge der Motorspeisespannung beruht. Die Überwachung der Bremsung erfolgt durch ein spezielles Drehzahlüberwachungsrelais, das mit der Motorwelle verbunden wird.
Diese Bremsung hat jedoch geringe Zuverlässigkeit wegen der möglichen Richtungsänderung beim Nichtansprechen des Drehzahlüberwachungsrelais und wird von beträchtlichen Stossmomenten, die den 15-20fachen Wert des Motornennmomentes erreichen, begleitet. Der Einbau eines Drehzahlüberwachungsrelais führt auch zu einer komplizierten Konstruktion des Antriebs.
Bekannt ist eine Kondensatorbremsung, die auf der Selbsterregung des Motors durch Energiewechsel zwischen den vom Netz abgeschalteten Leistungswicklungen und den an diese angeschlossenen Kondensatoren beruht. Diese Bremsung unterscheidet sich vorteilhaft von der Gegenstrombremsung durch geringere Stossmomente und die Unmöglichkeit einer Richtungsänderung. Jedoch macht die Zunahme der Grösse und Kosten der Kondensatoren mit Zunahme der Leistung des Antriebsmotors die Anwendung dieser Bremsung bei Leistungen über 2-5 kW wirtschaftlich unzweckmässig.
Die Möglichkeiten einer selbständigen Anwendung der Kondensatorbremsung werden durch das Ausbleiben des Bremsmomentes im Bereich der niedrigen Drehzahlen (etwa 0,2-0,3 der Nenndrehzahl des Motors) zusätzlich eingeschränkt.
Die Kurzschlussbremsung des Elektromotors, die die Energie des Magnetfeldes in den kurzgeschlossenen Wicklungen des vom Netz abgeschalteten Elektromotors benutzt, fand überhaupt keine selbständige Anwendung, weil die Abklinggeschwindigkeit der elektromagnetischen Prozesse gross und somit ihre Wirkungsdauer recht kurz und ungenügend für die Abstellung des Motors ist.
Die weitesten Möglichkeiten von den bekannten Bremsverfahren hat die dynamische Bremsung. Diese Bremsung unterscheidet sich durch grössere Gleichmässigkeit gegenüber der Gegenstrombremsung, schliesst die Möglichkeit einer Richtungsumkehr aus und sichert eine Bremswirkung praktisch über den gesamten Bremsvorgang.
Jedoch muss man zur Sicherung einer zuverlässigen Bremsung des Elektromotors diesen mit Strom speisen, der einen geringen Gehalt an Wechselstromkomponenten aufweist. Bei dem Anschluss des Elektromotors im Verlaufe der Bremsung an das Wechselstromnetz über einen Einweggleichrichter (beispielsweise über ein Ventil) enthält der in sei nen Leistungswicklungen fliessende Strom eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente mit der Frequenz der Grundharmonischen, die der Netzfrequenz gleich ist. Die Gleichstromkomponente erzeugt einen Bremseffekt, während die Wechselstromkomponente einen Motoreffekt erzeugt. Die Drehzahl-Drehmoment-Summenkennlinie hat hierbei im Bereich der hohen Drehzahlen einen Motorabschnitt.
Infolgedessen wird bei geringen Belastungsmomenten überhaupt keine Bremsung beobachtet.
Dies führt zu einer komplizierteren Gleichrichterschal :ung, beispielsweise zur Anwendung von Zweiwegbrückenschaltungen, und somit zur Vergrösserung der Abmessungen und der Kosten der Bremseinrichtung.
In einigen Fällen werden Kombinationen aus den beschriebenen Bremsverfahren verwendet, beispielsweise Kondensatorenbremsung mit dynamischer Bremsung, Kondensatorenbremsung mit Kurzschlussbremsung, oder dynamische mit Gegenstrombremsung, die als Doppelstrombremsung bezeichnet wird.
Diesen Einrichtungen sind jedoch alle Nachteile eigen, die für die in diesen benutzten Verfahren kennzeichnend sind. Demzufolge sind in einigen Fällen, besonders bei Werkzeugmaschinen mit einfacher elektrischer Ausrüstung, die Kosten und Abmessungen der Bremseinrichtung viel höher als die Kosten der gesamten elektrischen Ausrüstung der Maschine. Dies begrenzt die Anwendungsmöglichkeiten der bekannten Verfahren, besonders in vereinfachten Maschinenmodifizierungen.
Somit ist das Problem einer einfachen, billigen, durch ge ringe Abmessungen gekennzeichneten und zugleich effekti ven und hochzuverlässigen elektrischen Bremsung für Wech selstrommotoren recht aktuell.
Zweck der Erfindung ist es, die den bekannten Bremsver fahren eigenen Mängel zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirksames Verfahren zur Bremsung von Wechselstrom motoren und eine Einrichtung zur Realisierung desselben durch spezielles Schalten der Leistungswicklungen der Moto ren und speisen derselben mit gleichgerichtetem Strom unter Benutzung der induktiven Kopplung zwischen den ein zelnen Leistungswicklungen zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass man dem anderen Teil der Leistungswicklungen einen gleichgerichteten Halbperiodenstrom zuführt, wodurch in den kurzgeschlossenen Leistungswicklungen eine EMK indu ziert wird.
Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur
Bremsung eines Motores mit zumindest zwei Leistungswick lungen, einem im Leistungskreis des Elektromotors angeord neten Arbeits- und einem Bremsanlasser und mit einem Ven til, wobei die Kontakte des Arbeitsanlassers zwischen den
Motorklemmen und dem Speisenetz liegen, ist dadurch ge kennzeichnet, dass einer der Kontakte des Bremsanlassers parallel zu einer dei Leistungswicklungen des Motors geschal tet ist, während der andere Kontakt in Reihe mit dem Ventil und parallel zur Reihenschaltung ein Kontakt des Arbeitsan lassers in Reihe mit den anderen Leistungswicklungen des
Motors gelegt sind, wodurch diese Wicklungen im Laufe der
Bremsung vom Netz über den Richtstromkreis gespeist sind.
Nach einer Variante der Einrichtung wird in den Richt stromkreis in Reihe mit einem der Kontakte des Bremsanlas sers ein strombegrenzender Widerstand geschaltet.
Man kann auch an den Richtstromkreis einen Abwärts transformator anschliessen.
Dank der äussersten Realisierungseinfachheit des erfin dungsgemässen Bremsverfahrens werden auf ein Mindest wert die Anzahl der Elemente für die Einrichtung zur Reali i sierung dieses Verfahrens (ein Ventil und ein Anlasser) redu ziert, ihre Abmessungen, Masse und Kosten vermindert, eine hohe Bremsgleichmässigkeit bei ausreichender Wirksamkeit gesichert sowie die Zuverlässigkeit der Einrichtung erhöht.
Die Anwendung dieses Verfahrens gestattet es, die Kosten der Einrichtung zur Realisierung desselben etwa um 70 /o gegenüber den Einrichtungen bei dynamischer Bremsung und um 90010 gegenüber den Einrichtungen bei kondensator-dynamischer Bremsung zu senken, entsprechend die Abmessungen um 80 /0 und 90 /0 und die Masse um 90 /0 zu reduzieren. Eine zusätzliche Kostensenkung wird durch Vereinfachung der Montage und Einstellung der Bremseinrichtungen erreicht. Die angeführten zahlenmässigen Angaben sind unter Berücksichtigung der gültigen technischen Daten der von der Industrie lieferbaren elektrischen Geräte erhalten.
Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1, 2 die elektrischen Schaltungen, die das erfindungsgemässe Verfahren zur Bremsung von Elektromotoren erläutern;
Fig. 3 die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien eines Wechselstrommotors bei der Bremsung;
Fig. 4 die elektrische Schaltung einer Einrichtung zur Bremsung von Einphasen-Kondensatorasynchronmotoren;
Fig. 5 die elektrische Schaltung einer Einrichtung zur Bremsung von Drehstromasynchronmotoren;
Fig. 6 die elektrische Schaltung einer Einrichtung zur Bremsung von Drehstromasynchronmotoren mit Einschalten in den Richtstromkreis eines strombegrenzenden Widerstandes;
Fig. 7 die elektrische Schaltung einer Einrichtung zur Bremsung von Drehstromasynchronmotoren mit Anschluss an den Richtstromkreis eines Abwärtstransformators.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Bremsung von Wechselstrommotoren benutzt man die induktive Kopplung zwischen den Motorleistungswicklungen, einen Teil, welchen man kurzschliesst, während man dem restlichen einen gleichgerichteten Halbperiodenstrom zuführt.
Zur Realisierung der Bremsung nach diesem Verfahren schaltet man den Ständer des laufenden Motors vom Wechselstromnetz ab, schliesst einen Teil seiner Leistungswicklungen, beispielsweise 1, 2 und 3 (Fig. 1) durch den Kontakt 4 des Bremsanlassers kurz, während man die restlichen Leistungswicklungen des Motors, beispielsweise 5 und 6, über den Einweggleichrichter 7 und den Kontakt 8 des Bremsanlassers an das Wechselstromnetz legt. Als Beispiel werden Kurzschlussläufermotoren betrachtet. Die Läufer der Motoren sind in Fig. 1-7 nicht gezeigt.
Man kann auch die Leistungswicklungen gegeneinander durch die Kontakte 9 und 10 des Bremsanlassers schliessen, wie dies Fig. 2 zeigt.
Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der beschriebenen Bremsung sind in Fig. 3 die Drehzahl-Drehmoment Kennlinien des Elektromotors bei seiner Bremsung gezeigt.
In der Achse 11 ist die Motordrehzahl, in der Achse 12 das Motormoment und in der Achse 13 das Bremsmoment abgetragen.
Der vom Gleichrichter 7 gleichgerichtete Strom, der in den Leistungswicklungen 5 und 6 des Motors fliesst, enthält neben der Gleichstromkomponente eine beträchtliche Wechselstromkomponente. Die Wechselstromkomponente erzeugt ein Motormoment. Die diesem Moment entsprechende Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (Kurve 14, ohne Berücksichtigung der Momente durch die höheren Harmonischen) befindet sich im Motorquadrant 11-12 (Fig. 3).
Die Gleichstromkomponente erzeugt die Wirkung der dynamischen Bremsung, deren Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie durch die Kurve 15 auf Fig. 3 gegeben und im Bremsquadrant 11-13 angeordnet ist.
Die resultierende Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (Kurve 16, Fig. 3) des Elektromotors bei getrennten Leistungswicklungen 1, 2, 3 wird durch die Summe der Kurven 14 und 15 bestimmt. Der Verlauf der Kurve 16 hängt vom Kippschlupf des Motors und vom Verhältnis der Gleich- und Wechselstromkomponenten ab, wobei im Bereich der untersynchronen Drehzahlen die motorische Komponente des Momentes grösser als die Bremskomponente sein kann. Demzufolge liegt ein Teil der Kurve 16 in dem motorischen Quadrant 11 - 12 (Fig. 3) und deshalb, besonders bei geringen Werten des Belastungsmomentes, kann das Anlegen der Leistungswicklungen 5 und 6 an das Wechselstromnetz über den Einweggleichrichter 7 bei geöffneten Wicklungen 1, 2, 3 überhaupt keine Bremsung des Motors sichern - er wird lediglich seine Drehzahl herabsetzen und die Bewegung fortsetzen.
Bei den meisten Arbeitsmaschinen ist eine solche Erscheinung unzulässig.
Der Kurzschluss aller bzw. eines Teils der beim Bremsen abgeschalteten Leistungswicklungen 1, 2, 3 des Elektromotors führt zur Entstehung eines qualitativ neuen Effektes, der durch die induktive Kopplung zwischen den Leistungswicklungen 5, 6 und 1, 2, 3 eine intensive Bremsung des Motors bei allen Werten des Belastungsmomentes, des Kippschlupfes und des Verhältnisses der Komponenten des gleichgerichteten Stromes sichert.
Das Ständerfeld, das durch den Strom in den Leistungswicklungen 5 und 6 erzeugt wird, induziert in dem rotierenden Läufer eine EMK. Seinerseits induziert das Läuferfeld in den kurzgeschlossenen Leistungswicklungen 1, 2 und 3, 4 eine EMK, die einen Strom in diesen hervorruft, dessen Wert mit dem Stromwert in den Leistungswicklungen 5 und 6 vergleichbar ist. Dieser Strom erzeugt einen merklichen Bremseffekt, der eine Senkung der Motordrehzahl hervorruft.
Mit der Abnahme der Läuferdrehzahl nimmt der in den kurzgeschlossenen Leistungswicklungen 1, 2 und 3 induzierte Strom ab. Besonders exakt wird dieser Effekt beobachtet, wenn die resultierenden Vektoren des Magnetfeldes der Leistungswicklungen 5 und 6 und der kurzgeschlossenen Leistungswicklungen 1, 2, 3 senkrecht zueinander stehen. Am Ende bleibt bei unbeweglichem Läufer die magnetische Kopplung zwischen den Feldern aus, so dass der Strom in den Leistungswicklungen 1, 2, 3 gleich Null ist. Somit bilden bei der Bremsung des Motors nach dem erfindungsgemässen Verfahren seine Leistungswicklungen 1, 2, 3 und 5, 6 zwei induktiv gekoppelte Kreise mit veränderlichem Kopplungsfaktor.
Die Abnahme des Stromes in den kurzgeschlossenen Wicklungen 1, 2, 3 mit Abnahme der Drehzahl führt zur Senkung des Bremseffektes durch den von diesem Strom erzeugt ten Moment. Die Abhängigkeit dieses Momentes von der Mo tordrehzahl kann qualitativ durch die Kurve 17 (Fig. 3) zarge stellt werden.
Gleichzeitig verursacht jedoch die Gleichstromkompomente in den Leistungswicklungen 5 und 6 eine Steigerung des Bremseffektes und die Wechselstromkomponente eine Senkung des motorischen Effektes. Die resultierende Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (Kurve 18) des Motors bei einer Bremsung desselben nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird durch die Summe der Kurven 16 und 17 bestimmt und liegt voll und ganz in dem Bremsquadrant 11-13 (Fig. 3).
Infolgedessen wird eine zuverlässige intensive Bremsung des Motors gesichert.
Die Bremsung des Motors bei Gegeneinanderschluss seiner Leistungswicklungen 1, 2 und 3 durch die Kontakte 9 und 10 des Bremsanlassers (Fig. 2) verläuft auf ähnliche Art.
Als Realisierungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens sind nachstehend einige elektrische Schaltungen für Einrichtungen zur Bremsung von Einphasen- und Drehstrom asynchronomotoren angeführt.
So zeigt Fig. 4 die elektrische Schaltung einer Einrich tung zur Realisierung des Bremsverfahrens für Einphasenkor densatormotoren. Die Leistungswicklungen 19 und 20 des
Motorständers sind an das Wechselstromnetz über die Kon takte 21 und 22 des Arbeitsanlassers gelegt. Zur Erzeugung einer zeitlichen Verschiebung zwischen den Spannungen, die die einzelnen Leistungswicklungen speisen, ist die Leistungs wicklung 20 an das Wechselstromnetz über den Phasenschieberkondensator 23 gelegt. Zum Schalten der Leistungswicklungen des Motors beim Bremsen dienen die Kontakte 24 und 25 des Bremsanlassers. In Reihe mit dem Kontakt 24 ist ein Ventil 7 geschaltet.
Zur Bremsung des Motors wird der Arbeitsanlasser abgeschaltet - seine Kontakte 21 und 22 werden geöffnet - und der Bremsanlasser eingeschaltet. Der Kontakt 25 des Bremsanlassers schliesst die Leistungswicklung 20 des Motors kurz, während der Kontakt 24 des Bremsanlassers zusam men mit dem Ventil 7 einen Richtstromkreis für die Leistungswicklung 19 bildet.
Fig. 5 zeigt die elektrische Schaltung einer Einrichtung zur Realisierung des Bremsverfahrens für Drehstromasyn chronmotoren.
Die Leistungswicklungen 26, 27 und 28 des Motorständers sind an das Wechselstromnetz über die Kontakte 29, 30, 31 oder 32, 33, 34 des Arbeitsanlassers, die die Drehrichtung bestimmen, gelegt. Der Bremsanlasser mit den Kontakten 35, 36, 37 und das Ventil 7 sind für die Motorbremsung bestimmt.
Zur Bremsung des Motors wird-der Arbeitsanlasser abgeschaltet, indem man seine Kontakte 29-31 bzw. 32-34 öffnet, und der Bremsanlasser eingeschaltet. Sein Kontakt 37 schliesst die Motorwicklung 27 kurz, während die Kontakte 35 und 36 zusammen mit dem Ventil 7 einen Richtstromkreis für die in Reihe geschalteten Wicklungen 26 und 28 bilden.
Die in der Einrichtung gemäss Fig. 4 ablaufenden Vorgänge sind den oben beschriebenen ähnlich.
Die resultierenden Vektoren der Magnetfelder der Leistungswicklungen 19 und 20 des Einphasenkondensatormotors gemäss Fig. 4, der Leistungwicklung 27 und der bei den in Reihe geschalteten der Leistungswicklungen 26 und 28 des Drehstrommotors in Fig. 5 stehen senkrecht zueinander.
Deshalb bleibt bei unbeweglichem Läufer die magnetische Kopplung zwischen den entsprechenden Leistungswicklungen 19-20 und 27-26, 28 aus. Jeder Abweichung des Läufers von dem Ruhezustand verursacht in der kurzgeschlossenen Leistungswicklung (Leistungswicklung 20 in Fig. 4 und 27 in Fig. 5) einen Strom, der ein die Bewegung hinderndes Moment erzeugt. Somit üben die kurzgeschlossenen Leistungswicklungen 20 und 27 zusätzlich eine dämpfende Wirkung aus, wodurch die Vibration vermindert wird.
Zur Begrenzung der Motorströme im Laufe der Bremsung verwendet man ein nichtsteuerbares Ventil in Verbindung mit einem strombegrenzenden Widerstand bzw. einem Abwärtstransformator oder auch einen steuerbaren Gleichrichter.
So zeigt Fig. 6 die elektrische Schaltung einer Einrichtung zur Realisierung der Bremsung von Drehstromasynchronmotoren, bei der zur Verringerung der Ströme in den il Reihe geschalteten Leistungswicklungen 26 und 28 in dem Stromkreis des Kontaktes 35 des Bremsanlassers ein strombe grenzender Widerstand 38 liegt. Sonst ist die elektrische Schaltung in Fig. 6 völlig mit der Schaltung in Fig. 5 identisch.
Fig. 7 zeigt die Schaltung einer Einrichtung zur Realisierung der Bremsung von Drehstromsynchronmotoren, bei der man zur Verminderung der Ströme in den in Feihe geschalteten Wicklungen 26 und 28 diese über den Kontakt 39 des Bremsanlassers an die sekundäre Wicklung 40 des Abwärtstransformators 41 anschliesst. Die Primärwicklung 42 des Abwärtstransformators wird über den Kontakt 43 des Bremsanlassers an das Wechselstromnetz gelegt.
Durch entsprechende Wahl des Wertes des strombegrenzenden Widerstandes 38 (Fig. 6) bzw. der Spannung an der Sekundärwicklung 40 des Abwärtstransformators 41 (Fig. 7) lässt sich der Strom in den Leistungswicklungen 26 und 28 auf den erforderlichen Wert reduzieren.
Die Regelung des Stromes in den Leistungswicklungen 26 und 28 ist auch in der Einrichtung gemäss Fig. 5 möglich, wobei das nichtsteuerbare Ventil 7 durch ein steuerbares ersetzt wird.
Die angeführten Realisierungsbeispiele erschöpfen nicht alle möglichen Einrichtungen, die auf dem erfindungsgemässen Verfahren beruhen. So, zum Beispiel, sind der strombegrenzende Widerstand und der Abwärtstransformator auch in den Schaltungen der Einrichtungen zur Realisierung der Bremsung von Einphasenkondensatormotoren gemäss Fig. 4 anwendbar. Das erfindungsgemässe Verfahren kann man auch bei der Schaltung der Leistungswicklungen 26, 27 und 28 eines Drehstrommotors in Dreieck verwenden. Hierbei schliesst man eine der Leistungswicklungen des Motors mit dem Bremsanlasserkontakt kurz, während man die beiden anderen parallel an das Wechselstromnetz über das Ventil legt.
Schliesslich ist die Anwendung von Gleichrichtern möglich, die die Speisung eines Teils der Motorleistungswicklungen mit einem Strom mit geringerem Wechselstromanteil sichern, beispielsweise Zweiweggleichrichter. Im letzteren Falle ist der Kurzschluss eines Teils der Motorleistungswicklungen auch recht wirksam, da er eine Steigerung des Bremsmomentes im Bereich der hohen Drehzahlen ermöglicht.
Die Bremseinrichtungen nach dem erfindungsgemässen Verfahren können in jedem Betrieb, darunter in solchen, die kein qualifiziertes elektrotechnisches Personal haben, realisiert werden. Sie bedürfen keiner Einstellung und Wartung während des Betriebes.
Es ist bereits experimentell bestätigt, dass das erfindungsgemässe Verfahren bei Bohr- und Drehmaschinen die Realisierung von einfachen und hochzuverlässigen Spindelbremseinrichtungen mit geringen Abmessungen und Kosten gestattet. Daraus folgt, dass dieses Verfahren in allen Fällen verwendet werden kann, wo harte Forderungen bezüglich gedrängter Bauart, Masse und minimaler Kosten gestellt werden, und zwar nicht nur im Maschinenbau, sondern auch in anderen Industriezweigen, beispielsweise in der chemischen Industrie, Textilindustrie u. a.