DE10040285A1

DE10040285A1 - Verfahren zur Begrenzung des Drehmoments und zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl eines Elektromotors in Sternpunktschaltung und eine Vorrichtung

Info

Publication number: DE10040285A1
Application number: DE2000140285
Authority: DE
Inventors: Harald Prautzsch; Juergen Boeckle; Harald Wolf; Josef Schmidt
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: DE10040285C2

Abstract

Verfahren zur Begrenzung des Drehmoments und zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl eines Elektromotors in Sternpunktschaltung, wobei der Elektromotor mit Drehstrom versorgt wird, und wobei mittels eines steuerbaren Sternpunktschalters der Sternpunkt elektrisch schließbar oder trennbar ist, aus der zeitlichen Abfolge der Nulldurchgänge der drei Phasenspannungen der Versorgungsspannung ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters abgeleitet wird und/oder ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters einen vorgebbaren Zeitversatz zu Nulldurchgängen der drei Phasenspannungen der Versorgungsspannung hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung des Drehmoments und zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl eines Elektromotors in Sternpunktschaltung und eine Vorrichtung.

Aus der DE 197 04 226 A1 ist ein Elektromotor mit Frequenzumrichter bekannt, wobei der Frequenzumrichter im Motoranschlusskasten integriert ist. Nachteilig ist dabei, dass ein Frequenzumrichter eine komplexe Signal- und Leistungselektronik umfasst und somit kostspielig ist.

Aus der DE 197 39 780 A1 ist ein Sternpunktschalter bekannt, wobei mittels des verschiedenartig ausführbaren Sternpunktschalters der Sternpunkt eines Elektromotors kurzgeschlossen oder geöffnet werden kann zur Ausführung eines elektronischen Motorschützes. Nachteilig ist, dass nach Kurzschließen des Sternpunktschalters der Motor im Wesentlichen direkt am Netz liegt und das volle Drehmoment aufbaut. Dies führt insbesondere bei Anwendungen, die ein Spiel aufweisen zu einem Ruck, der Zerstörungen auslösen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine Vorrichtung und ein Verfahren und zur Begrenzung des Drehmoments und zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl eines Elektromotors in Sternpunktschaltung aufzuzeigen. Insbesondere soll das Verfahren derart einfach sein, dass es kostengünstig durchführbar ist und in möglichst einfacher Art mit möglichst niedrig integrierten und wenig komplexen elektronischen Schaltungen ausführbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren gelöst nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 18 angegebenen Merkmalen.

Besonders wesentlich ist bei dem Verfahren, dass der Elektromotor in Sternpunktschaltung betrieben wird und mit einer dreiphasigen Wechselspannung als Versorgungsspannung versorgt wird, wobei mittels eines steuerbaren Sternpunktschalters der Sternpunkt elektrisch schließbar oder trennbar ist, und wobei aus der zeitlichen Abfolge der Nulldurchgängen der Spannungen der drei Phasen der Versorgungsspannung ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters abgeleitet wird und/oder ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters einen vorgebbaren Zeitversatz zu Nulldurchgängen der Spannungen der drei Phasen der Versorgungsspannung hat.

Wesentliche Vorteile sind dabei, dass das Verfahren kostengünstig durchführbar ist und in möglichst einfacher Art mit möglichst niedrig integrierten und wenig komplexen elektronischen Schaltungen ausführbar ist, weil die Steuersignale aus den Nulldurchgängen oder entsprechenden Ereignissen mit konstantem Zeitversatz ableitbar oder generierbar sind. Im einfachsten Fall reichen also sogar ein oder mehrere Zeitglieder, wie RC-Glieder oder dergleichen, und eine oder mehrere Dioden aus, um Steuersignale zu erzeugen. Die Steuersignale sind also leicht gewinnbar und werden dann dem Sternpunktschalter zugeführt, der somit den Strom-Raumzeiger des Elektromotors beeinflusst. Durch dieses auf die Nulldurchgänge bezogene, Schließen und/oder Öffnen des Sternpunktes oder Beeinflussen des Strom-Raumzeigers wird eine Reduzierung oder Begrenzung des Drehmoments bewirkt. Wesentlicher Vorteil ist die im Vergleich zu Frequenzumrichtern kostengünstigere und einfachere elektronische Schaltung und die somit kleineren Kosten. Außerdem wird aber durch die Steuerung mit Steuersignalen, die einen Zeitbezug auf die Nulldurchgänge der Versorgungsspannung haben, erreicht, dass der Elektromotor nicht nur an- und ausschaltbar ist, sondern das Drehmoment reduzierbar und die Leerlaufdrehzahl zumindest in Stufen wählbar ist. Durch geeignete Wahl des Zeitversatzes sind sogar rückwärts drehende Zustände für den Elektromotor erzeugbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters einen derart periodischen und pulsförmigen Verlauf, dass es einen vorgebbaren Zeitversatz zu jedem k-ten Nulldurchgang der drei Phasenspannungen der Versorgungsspannung hat, wobei k eine natürliche ganze Zahl ist. Jeder Ansteuerimpuls bewirkt im Wesentlichen einen kleinen Drehmomentenstoß. Von Vorteil ist bei dem periodischen Verlauf, dass diese Drehmomentstöße in regelmäßigen Abständen erfolgen und somit im Mittel eine genügend gleichmäßige Bewegung entsteht. Der Freiheitsgrad k, also das Auswählen eines Wertes für k, lässt zusammen mit dem Freiheitsgrad des Zeitversatzes und der Dauer des Pulses oder Zündimpulses verschiedene Werte für Drehmomentbegrenzung zu. Außerdem ist bei einigen Werten für k eine Vorwärtsdrehung und bei einigen anderen Werten für k eine Rückwärtsdrehung des Rotors des Elektromotors ausführbar, wobei unter Vorwärtsdrehung die Drehrichtung eines direkt von der Versorgungsspannung versorgten Elektromotors zu verstehen ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zeitversatz dauerhaft oder innerhalb eines mindestens eine Netzperiode T_N umfassenden Zeitintervalls jeweils konstant gewählt. Von Vorteil ist dabei, dass der Rotor des Elektromotors möglichst gleichmäßig dreht und die Schwankungen im Rahmen des Verfahrens minimiert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zeitversatz innerhalb eines ersten Zeitintervalls konstant gewählt und innerhalb eines oder mehrerer weiteren Zeitintervalle jeweils verschieden, aber ebenfalls konstant gewählt. Von Vorteil ist dabei, dass innerhalb des ersten Zeitintervalls eine erste Leerlaufdrehzahl oder dazu gehörend eine Begrenzung des Drehmoments auf einen ersten Wert und danach während der Dauer der weiteren Zeitintervalle andere Leerlaufdrehzahlen oder Werte ausführbar sind. Insbesondere ist das Verfahren zur Reduzierung von Ruck beim Anfahren oder Starten eines Beschleunigungsvorgangs von Systemen, die ein Spiel aufweisen, ermöglicht. Insbesondere zählt dazu das Kettenspannen oder dergleichen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Steuersignal dauerhaft oder innerhalb des Zeitintervalls einen periodischen Verlauf mit einer Periodendauer T auf. Von Vorteil ist dabei, dass Schwankungen im Rahmen des Verfahrens minimierbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden als Steuersignal Zündimpulse für Thyristoren verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass robuste elektronische Leitstungsschalter verwendbar sind, die kostengünstig verfügbar sind und in der Industrie verbreitet sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden als Steuersignal Zündimpulse für Thyristoren verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass ein Steuersignal für mehrere Thyristoren verwendbar ist und somit der Aufwand für Ansteuerung reduziert ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Periodendauer T den mit dem Faktor g multiplizierten Wert T_N, also T = g . T_N, wobei der Faktor g innerhalb des Zeitintervalls konstant ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Thyristoren im Dauerbetrieb oder bei viele Netzperioden umfassendem Betrieb gleichmäßig ausgelastet werden. Wenn g die Werte 1, 2, 3 oder dergleichen annimmt, ist allerdings keine gleichmäßige Auslastung mehr vorhanden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Faktor g den Wert n/3, wobei n eine konstante ganze natürliche Zahl ist, insbesondere also 1, 2, 3 oder 4 usw. Dabei wird also g stufenweise veränderbar. Von Vorteil ist dabei, dass verschiedene, in entsprechenden Stufen veränderbaren Leerlaufdrehzahlen, sogar negative, erzeugbar sind und die Begrenzung des Drehmoments verschieden stark ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Faktor g den Wert 4/3. Von Vorteil ist dabei, dass auf ein nicht allzu kleines Drehmoment begrenzbar ist und die Leerlaufdrehzahl bei 12.5 Hz, also wenig reduziert ist, wobei eine Netzfrequenz oder Frequenz der Versorgungsspannung von 50 Hz vorausgesetzt ist. Bei einer Netzfrequenz von 60 Hz ergäben sich 15 Hz für die Leerlaufdrehzahl. Die Begrenzung des Drehmoments ist von der Phasenlage des Steuersignals zu Nulldurchgängen abhängig. Außerdem ist es auch abhängig von der Form des Steuersignals abhängig, insbesondere einer großen Dauer.

Bei weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen hat der Faktor g den Wert k + 1/3, wobei k eine konstante ganze natürliche Zahl ist, insbesondere also 1, 2, 3 oder 4 usw. ist. Der Faktor g ist dabei also beispielsweise 7/3, 10/3 oder 13/3 oder dergleichen. Die zu größerem k jeweils gehörenden Leerlaufdrehzahlen sind entsprechend kleiner, insbesondere sind sie kleiner als die Leerlaufdrehzahl und bewirken daher eine bei vielen Anwendungen vorteilhaft einsetzbare langsamere Drehzahl als die Nenndrehzahl. Dabei ist weiterer Vorteil, dass die elektronischen Leistungsschalter oder Thyristoren und die Motorwicklungen bei dauerhaftem, mehrere Perioden umfassenden Betrieb gleichmäßig ausgelastet sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Faktor g den Wert k - 1/3, hat, wobei k eine konstante ganze natürliche Zahl ist, insbesondere also 1, 2, 3 oder 4 usw.. Dabei ist wiederum Vorteil, dass die elektronischen Leistungsschalter oder Thyristoren und die Motorwicklungen bei dauerhaftem, mehrere Perioden umfassenden Betrieb gleichmäßig ausgelastet sind. Außerdem ist sogar ein Vorwärts- oder ein Rückwärtsdrehen ausführbar, abhängig von Anfangs- Randbedingungen und der Magnetisierung, der Magnetisierbarkeit und weiteren Größen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leerlaufdrehzahl des Elektromotors in Stufen, die k und/oder n entsprechen, vorteiligerweise vorgebbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Elektromotor abhängig vom Steuersignal zeitlich aufeinander folgend dreiphasig und dann zweiphasig betrieben, bevor der Betrag des Strom- Raumzeigers zu Null wird oder kleiner wird als ein Tausendstel des Nennstromes. Von Vorteil ist dabei, dass der Ausschaltvorgang nicht durch Ausschalten von abschaltbaren Ventilen erzwungen wird, sondern bei Thyristor-Stromnulldurchgängen erfolgt. Somit treten keine wesentlichen, durch Induktivitäten des Elektromotors bewirkten Überspannungen oder Spannungserhöhungen beim Abschalten auf, die Bauteile gefährden könnten.

Bei einer Ausgestaltung mit denselben Vorteilen erreicht der Betrag des Strom-Raumzeigers des Elektromotors mit der Periodendauer T den Wert Null oder wird kleiner als ein Tausendstel des Nennstromes.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung überstreicht der Strom-Raumzeiger in zweidimensionaler oder komplexer Darstellung weniger Fläche in dem Zeitintervall als bei dauerhaft geschlossenem Sternpunktschalter. Bei kleiner überstrichener Fläche ist das Drehmoment auf einen kleineren Wert begrenzt als bei größerer überstrichener Fläche. Von Vorteil ist also dabei, dass auf ein kleineres mittleres Drehmoment begrenzt wird als das Nenn-Drehmoment.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung bewegt der Strom-Raumzeiger sich in zweidimensionaler oder komplexer Darstellung mindestens zeitabschnittsweise auf Geraden und/oder Ursprungs- Geraden. Von Vorteil ist dabei, dass zumindest ein zweiphasiger Betrieb ausführbar ist, bevor der Elektromotor abgeschaltet wird und somit vor Abschalten das Drehmoment erheblich, aber ohne Erzeugung störender Rucke reduziert wird.

Wesentliches Merkmal bei der Vorrichtung ist, dass der Sternpunktschalter mehrere elektronische Leistungsschalter aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die zu schaltende Leistung auf mehrere Leistungsschalter aufgeteilt wird und somit die Kosten reduzierbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sternpunktschalter als steuerbarer Drehstrom- Brückengleichrichter ausgeführt, der als elektronische Leistungsschalter mindestens drei einschaltbare Stromventile umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfach und kostengünstig zu fertigenden, kompakte und wenig komplexe Schaltung eingesetzt wird, mit der der Sternpunkt des Elektromotors schließbar oder trennbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leistungsschalter elektrisch derart verbunden, dass sie mit einem gleichen Steuersignal ansteuerbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass nur ein Steuersignal für alle Leistungsschalter, insbesondere drei Thyristoren, einsetzbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Leistungsschalter Thyristoren. Von Vorteil ist dabei, dass industrieübliche Leistungsschalter verwendet werden, und beim Ausschalten keine störenden Überspannungen erzeugt werden..

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die elektronischen Leistungsschalter zusammen mit der restlichen Steuer- und Leistungselektronik in den Motoranschlusskasten integriert und zwischen Motor und Leistungselektronik ist ein größerer Wärmewiderstand vorhanden, insbesondere durch eine wärmeisolierende Schicht, als zur Umgebung des Motoranschlusskastens. Von Vorteil ist dabei, dass die Leistungselektronik in den Motoranschlusskasten integrierbar ist, obwohl sie erhebliche Wärmemengen erzeugen kann und der Motor selbst ebenfalls ein hohes Temperaturniveau erreichen kann. Die beschriebenen Wärmewiderstandsverhältnisse sind beispielsweise durch Einsatz von Wärmesperren realisierbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Signalelektronik, umfassend Zeitglied und/oder Elektronik zur Generierung von Steuersignal, zur Leistungselektronik einen größeren Wärmewiderstand auf, insbesondere durch eine wärmeisolierende Schicht oder Wärmesperre, als zur Umgebung des Motoranschlusskastens. Von Vorteil ist dabei, dass die Signaleelektronik geschützt ist vor der Wärmeentwicklung der Leistungselektronik.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

1

Elektromotor mit Gehäuse

2

Zwischenteil

3

Deckel

4

erste Wärmesperre

5

zweite Wärmesperre

6

Durchgangsbohrungen für Kabel

7

erstes Eingabemittel

8

zweites Eingabemittel

31

Leistungselektronik

32

Steuerelektronik

41

Ansteuerungseinheit

42

Energieversorgungseinrichtung

43

Messeinrichtung

50

Gleichrichterbrücke

81

AS-i-Kabel

82

Starkstromleitungen

83

Starkstromleitungen

84

Potentiometer

85

PG-Verschraubung

101

Spannungsverlauf der ersten Phase

102

Spannungsverlauf der zweiten Phase

103

Spannungsverlauf der dritten Phase

104

,

204

,

304

Steuersignalverlauf

105

Stromverlauf der ersten Phase

106

Stromverlauf der zweiten Phase

107

Stromverlauf der dritten Phase

205

,

305

,

405

Spannungsverlauf der ersten Phase als genäherter Stromverlauf

206

,

306

,

406

Spannungsverlauf der zweiten Phase als genäherter Stromverlauf

405

,

406

,

407

Spannungsverlauf der dritten Phase als genäherter Stromverlauf

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor mit Motoranschlusskasten, in den ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel integriert ist.

Fig. 2 zeigt einen Elektromotor mit Motoranschlusskasten, in den ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit Eingabemitteln integriert ist.

Fig. 3 zeigt einen Sternpunktschalter mit erfindungsgemäßem Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt ein Funktionsschaltbild für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 zeigt einen Elektromotor mit Motoranschlusskasten, in den ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel integriert ist und bei dem der Deckel abgehoben ist.

Fig. 6a zeigt Spannungsverläufe und Stromverläufe für das erfindungsgemäße Verfahren mit kurzem Puls als Steuersignal.

Fig. 6b zeigt Spannungsverläufe und Stromverläufe für das erfindungsgemäße Verfahren mit längerem Puls als Steuersignal.

Fig. 7 zeigt Spannungsverläufe für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem mittleren Wert für eine Begrenzung des Drehmoments.

Fig. 8 zeigt Spannungsverläufe für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem minimalen Wert für eine Begrenzung des Drehmoments.

Fig. 9 zeigt Spannungsverläufe für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem maximalen Wert für eine Begrenzung des Drehmoments.

Fig. 10 zeigt einen Kurvenverlauf des Statorstrom-Raumzeigers für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem mittleren Wert für eine Begrenzung des Drehmoments und einer 360° Periodizität.

Fig. 11 zeigt einen Kurvenverlauf des Statorstrom-Raumzeigers für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem mittleren Wert für eine Begrenzung des Drehmoments und einer 480° Periodizität.

Fig. 12 zeigt einen Kurvenverlauf des Statorstrom-Raumzeigers für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem mittleren Wert für eine Begrenzung des Drehmoments und einer 600° Periodizität.

Die Fig. 13a, 13b, 13c zeigen drei Kurvenverläufe des Statorstrom-Raumzeigers für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem für Fig. 13a minimalen, für Fig. 13b mittleren und für Fig. 13c maximalen Wert für eine Begrenzung des Drehmoments und einer 480° Periodizität.

In der Fig. 1 ist ein Elektromotor eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels skizziert. Der Elektromotor mit Gehäuse (1) ist mittels einer ersten Wärmesperre (4) vom Zwischenteil (2) des Motoranschlusskastens wärmetechnisch getrennt. Eine zweite Wärmesperre (5) trennt das Zwischenteil (2) vom Deckel (3) des Motoranschlusskastens wärmetechnisch ab. Die beiden Wärmesperren sind in hoher Schutzart ausgeführt und stellen daher Abdichtungen gegen Schmutz, Staub, Flüssigkeiten, wie Wasser, Basen, Säuren, Öle oder dergleichen, dar. Das Zwischenteil (2) weist Durchgangsbohrungen für Kabel (6) auf. In diese Durchgangsbohrungen (6) werden PG-Verschraubungen eingebracht, durch die mindestens die Leitungen zur Energieversorgung durchführen. Der Motor oder Elektromotor ist als Asynchronmotor ausgeführt.

Der Deckel (3) ist mittels eines Steckverbinders elektrisch mit dem Zwischenteil (2) verbunden. Über diesen Steckverbinder hinaus weist der Deckel noch eine Leitung zur Erdung des Deckels auf. Diese Erdungsleitung ist mit dem Zwischenteil verbunden.

Die elektronische Schaltung im Deckel (3) des Motoranschlusskastens weist Steuer- und Leistungselektronik auf. Die Leistungselektronik umfasst elektronische Leistungsschalter, die ihre Wärme im Wesentlichen an das Gehäuseteil des Deckels (3) abgeben. Als elektronische Leistungsschalter werden Thyristoren eingesetzt. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden andere Leistungsschalter eingesetzt oder statt des Steckverbinders nur Starkstromkabel zwischen Deckteil (3) und Zwischenteil (2) zur elektrischen Verbindung verwendet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist mittels elektronischer Leistungsschalter der Elektromotor aus- und einschaltbar. Ein erster Temperatursensor ist wärmeleitend mit den Leistungsschaltern verbunden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Temperatursensor mit der Montagefläche verbunden, die aber einen sehr geringen Wärmeübergangswiderstand zu den elektronischen Leistungsschaltern aufweist; somit ist auch in diesem Fall der erste Temperatursensor wärmeleitend mit den Leistungsschaltern verbunden. Elektrisch ist der erste Temperatursensor mit der elektronischen Schaltung verbunden. Daher ist bei starkem Anstieg der Temperatur der Leistungsschalter aus Sicherheitsgründen die elektronische Schaltung abschaltbar. Alternativ wird in weiteren Ausführungsbeispielen der Wert der Temperatur und/oder eine entsprechende Fehlermeldung über die Vorrichtung zum Austausch von Informationen an ein weiteres Gerät, wie einen Zentralrechner und/oder ein dezentrales Steuerungsmodul, weitergemeldet.

Ein zweiter Temperatursensor ist wärmeleitend mit den Wicklungen im Elektromotor verbunden und an die Steuerelektronik elektrisch angeschlossen. Ebenso ermöglicht dies ein Weitermelden eines Überschreitens eines kritischen Temperaturwertes an weitere Geräte. Es ermöglicht aber auch eine Sicherheitsabschaltung. Je nach Typ der Anlage und dem dort verwendeten Sicherheitskonzept werden die Möglichkeiten angewendet oder nicht verwendet.

Fig. 2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Die elektronische Schaltung am Deckel (3) unterscheidet sich von der des in Fig. 1 gezeigten Deckels; sie weist eine Steuerschaltung auf, die eine Vorrichtung zur phasenanschnittähnlichen Ansteuerung der Thyristoren umfasst. Als erstes Eingabemittel (7) und als zweites Eingabemittel (8) wird jeweils ein Potentiometer eingesetzt. Auf diese Weise wird das Drehmoment und die Leerlaufdrehzahl des Elektromotors beeinflussbar oder vorwählbar.

Insbesondere ist ein Startwert für Leerlaufdrehzahl oder verfügbares Drehmoment und ein zugehöriges Zeitintervall, innerhalb dessen dieser Startwert wirksam ist, vorwählbar. Nach diesem Zeitintervall ist ein anderer Wert für Leerlaufdrehzahl oder verfügbares Drehmoment wirksam, wie beispielsweise die entsprechenden Nennwerte.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beeinflusst das erste Eingabemittel (7) dabei vorteilhaft den Startwert und das zweite Eingabemittel (8) beeinflusst die Dauer des Zeitintervalls.

Der Deckel aus Fig. 1 ist austauschbar mit dem Deckel aus Fig. 2. Somit kann im Feld in einfacher Weise schnell und kostengünstig die Funktionalität eines erfindungsgemäßen Elektromotors geändert werden. Darüber hinaus wird der Deckel aus Fig. 1 und ebenso der Deckel aus Fig. 2 jeweils auch in verschiedenen Versionen bestückt. Insbesondere werden Deckel gefertigt, die eine Profibus-kompatible Steuerelektronik aufweisen, und es werden Deckel gefertigt, die eine INTERBUS-kompatible Steuerelektronik aufweisen. Bei der Zusammenstellung und Bearbeitung eines Kundenauftrages kann daher der Elektromotor mit Motoranschlusskasten gefertigt werden und danach mit einem dem Kundenwunsch entsprechenden Deckel versehen werden. Ebenso sind weitere Deckel mit entsprechend unterschiedlicher Funktionalität fertigbar.

Die erfindungsgemäßen Elektromotoren mit einem Motoranschlusskasten samt Deckel bilden also eine Baureihe. Ein erster beispielhafter Vertreter dieser Baureihe ist in Fig. 1 gezeigt. Ein zweiter beispielhafter Vertreter ist in Fig. 2 gezeigt.

In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden Deckel mit verschiedenen Vorrichtungen zum Austausch von Informationen gefertigt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird dabei die elektronische Schaltung derart ausgeführt, dass elektromagnetische Signale auf die Leistungskabel aufmoduliert werden. Insbesondere kann mit einer Trägerfrequenz von beispielhaft 200 kHz gearbeitet werden. Es sind aber auch Deckel ausführbar mit einer Trägerfrequenz von einigen MHz. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden modulierte elektromagnetische Funkwellen zur Übertragung genutzt. Dazu weist der Deckel ein als Antenne wirksames Element auf, insbesondere kann diese Funktion auch von Teilen übernommen werden, die sowieso schon vorhanden sind, wie elektrische Leitungen, Gehäuseteile oder dergleichen, oder die speziell zu diesem Zweck konstruiert und ausgelegt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel wird modulierte Infrarotstrahlung zur Übertragung der Information genutzt. Insbesondere weist dabei das Zwischenteil und/oder Deckel entsprechende Bauteile auf. Insbesondere sind in einem Ausführungsbeispiel Infrarot-Halbleiter, wie Dioden und/oder Transistoren zum Senden und/oder Empfangen von Infrarot-Strahlung oder dergleichen, am Motoranschlusskasten angebracht, insbesondere auf seinem Deckel, oder mit dem Deckel verbunden.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele weisen mindestens ein Bypass-Relais auf. Solche Bypass-Relais dienen zur Entlastung der elektronischen Leistungsschalter, wie Thyristoren oder dergleichen. Die Steuerelektronik steuert die Bypass-Relais an, wenn Nennmoment und Nenn-Leerlaufdrehzahl vorgewählt wurden und eine gewisse Zeitdauer nach dem Einschalten vergangen ist oder eine gewisse Motorspannung, insbesondere Netzspannung, erreicht ist. Die Bypass-Relais schließen dann die elektronischen Leistungsschalter kurz und entlasten sie dadurch. Außerdem wird dadurch der Energieverbrauch reduziert.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele weisen passive Kühlsysteme, wie Peltier-Elemente oder dergleichen, auf zur Kühlung der Leistungselektronik. Dies ist besonders vorteilhaft, da dies eine verschleißfreie Art der Kühlung ist.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele weisen aktive Kühlsysteme, wie Lüfter oder dergleichen, auf. Diese sind kostengünstiger als Kühlsysteme mit Peltier-Elementen.

Deckel mit verschiedenen Kühlsystemen sind erfindungsgemäß austauschbar. Ein Deckel ohne besonderes Kühlsystem ist also gegen einen Deckel mit einem leistungsfähigeren Kühlsystem austauschbar. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn festgestellt wird, dass bei dem zuerst eingesetzten die Kühlleistung nicht ausreicht.

Ebenso sind Deckel mit verschieden ausgeprägter Hardware und/oder Software austauschbar. Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher Weise schnell und kostengünstig die Funktionalität austauschbar und somit veränderbar ist.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind Ecken, Kanten, Ausbuchtungen, Auskragungen oder dergleichen am Deckel und/oder am Zwischenteil vorgesehen, um zu verhindern, dass diejenigen Deckel austauschbar sind, deren Software und/oder Hardware nicht zur gegebenen Motorkonfiguration passt. Zur Motorkonfiguration zählt dabei Motorleistung, Art des Motors, wie Polzahl oder dergleichen, oder auch Vorhandensein von Zusatzbaugruppen, wie einer Bremse, eines Lüfters, ein Temperatursensor oder dergleichen. Die mechanische Schnittstelle des Deckels zum Zwischenteil hin ist bei diesem Ausführungsbeispiel also derart ausgelegt, dass Sicherheit für das Anschließen hinsichtlich des elektrischen Betriebs gegeben ist. Insbesondere ist die mechanische Schnittstelle derart gestaltet mit den genannten Ecken, Kanten, etc., dass der Deckel verdreht nicht aufsetzbar ist. Somit wird beispielsweise ein Schutz gegen Verpolung, Drehrichtungsumkehr oder dergleichen erreicht.

In der Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Leistungselektronik (31) ist von der Steuerelektronik (32) beeinflussbar und der Sternpunkt des Elektromotors u₂ v₂ w₂ ist mittels elektronischer Leistungsschalter der Leistungselektronik (31) schließbar, trennbar oder teilweise schließbar. Unter 'teilweise schließbar' wird dabei 'zweiphasiger Betrieb' verstanden. Temperatursensoren sind in dieser Figur nicht eingezeichnet. Die externen Anschlüsse für die Versorgungsspannung oder Netzspannung sind mit u₁ v₁ w₁ gekennzeichnet.

In der Fig. 4 ist ein weiteres erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gezeigt. Die gesteuerte Gleichrichterbrücke (50) ist an die sternpunktseitigen Anschlüsse des Elektromotors angeschlossen. Sie umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Thyristoren. Die Steuerelektronik (32) beeinflußt die Ansteuerungseinheit (41) derart, dass Thyristoren einschaltbar sind. Ausgeschaltet werden Thyristoren, wenn der durch sie fließende Strom im Wesentlichen Null erreicht.

Somit kann der Wert für das verfügbare Drehmoment auf einen gegenüber dem Nennwert geringeren Wert herabgesetzt werden. Insbesondere nach dem Einschalten des Elektromotors kann das verfügbare Drehmoment auf einen Wert begrenzt werden für eine gewisse Zeitspanne. Im Vergleich zum direkten Anschalten des Netzes an den Elektromotor ergibt sich somit ein niedrigeres Anlaufdrehmoment des Elektromotors. Insgesamt läuft der Elektromotor also sanfter an oder mit weniger Ruck. Allerdings ist der Elektromotor für die jeweilige mechanische Anwendung geeignet zu auszulegen. Die Zeitkonstanten dieses Hochfahrens sind über Eingabemittel, wie Potentiometer oder Eingabetasten oder dergleichen, beeinflussbar. Insbesondere kann mittels eines ersten Eingabemittels der Startwert des verfügbaren Drehmomentes beeinflusst werden und mittels eines zweiten Eingabemittels die Zeitdauer des entsprechenden Zeitintervalls beeinflusst werden.

Eine wichtige Anwendung der Erfindung bezieht sich auf das Kettenspannen oder Überwinden eines Spiels. Dabei wird zu Beginn auf ein sehr kleines verfügbares Drehmoment derart lange begrenzt, dass nach Ablauf des ersten Zeitintervalls das Spiel überwunden ist oder die Kette gespannt ist, ohne dass bei Beendigung der Spielüberwindung oder der Kettenspannung ein wesentlicher, eventuell Zerstörungen verursachender Ruck oder ein den Prozess störender Ruck auf die mechanische Last ausgeübt wird. Nach Ablauf dieses ersten Zeitintervalls kann dann das volle Nennmoment des Elektromotors zugelassen werden. Da die Kette gespannt ist oder das Spiel überwunden ist, wirkt das sich aufbauende Drehmoment dabei auf die gesamte mechanische Anordnung und erreicht dabei keine, eventuell Zerstörungen auslösenden Rucke.

Durch weitere Eingabemittel sind bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel Werte für jeweils in den entsprechenden Zeitintervallen verfügbare Drehmomente vorgebbar.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen besitzt die elektronische Schaltung jeweils Umsetzer für Bus oder Bus-ähnliche Systeme, wie Interfaces, AS-i oder dergleichen. Somit ist die elektronische Schaltung derart auslegbar, dass die genannten durch Eingabemittel beeinflussbaren Werte mittels Datenübertragung beeinflussbar sind. Es werden also über einen Bus oder Bus-ähnliche Systeme Daten derart übertragen, dass die von den Eingabemitteln beeinflussten Werte ohne solche Eingabemittel beeinflussbar sind. Insbesondere werden sie von der elektronischen Schaltung abgespeichert, so dass sie sogar nach Aus- und Wiedereinschalten der elektronischen Schaltung oder der ganzen Anlage erhalten bleiben. Insbesondere weist die elektronische Schaltung hierfür EEPROM auf. Dadurch sind bei solchen Ausführungen des Deckels die genannten Eingabemittel, insbesondere mechanische und daher kostspielige, verzichtbar und der Deckel in sehr hoher Schutzart und trotzdem kostengünstig ausführbar.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind zur Entlastung der elektronischen Leistungsschalter Bypass-Relais einsetzbar. Diese schließen die Leistungsschalter nach Erreichen des Nennwerte des verfügbaren Drehmoments oder Spannung kurz, entlasten die Leistungsschalter und vermindern daher auch die Wärmeproduktion der Leistungselektronik.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden in der Fig. 4 die drei Dioden durch von der Ansteuerungseinheit (41) angesteuerte Thyristoren derart ersetzt, dass der Drehstrombrückengleichrichter sechs Thyristoren umfasst. Die sechs Thyristoren werden dabei nicht alle mit dem gleichen Steuersignal versorgt. Daher sind noch mehr Betriebszustände als die bisher oder unten beschriebenen ausführbar.

In der Fig. 5 ist wiederum der Elektromotor (1) mit einem Zwischenteil (2), das Anschlussvorrichtungen, insbesondere einen Klemmenstein, für die Starkstromleitungen (83) aufweist. Insbesondere am Klemmenstein ist die Betriebsart in Stern/Dreieck-Betriebsart einstellbar. Die Starkstromleitungen (83) sind durch die PG-Verschraubung (85) ins Zwischenteil (2) geführt.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die PG-Verschraubung (85) als Steckverbinder für eine schnell lösbare Verbindung ausgeführt. Der Deckel (3) ist in leicht abgehobener Position gezeichnet. Der Sternpunkt ist nicht, wie üblich, kurzgeschlossen, sondern mit den drei Starkstromleitungen (82) zum Deckel (3) geführt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist statt der Starkstromleitungen (82) eine Verbindung mit Steckverbinder verwendet. Der Deckel (3) weist einen Anschluss für AS-i auf. Hierfür umfasst die elektronische Schaltung einen Umsetzer, der seine Spannungsversorgung aus dem AS-i-Bus bezieht und die Daten des Busses der restlichen Signalelektronik der elektronischen Schaltung zur Verfügung stellt.

Der Deckel (3) weist darüber hinaus mindestens ein Potentiometer (84) auf. Mit dem oder den Potentiometern sind die Rampen des Sanftanlaufs beeinflussbar, also Zeitdauer des Zeitintervalls oder der Zeitintervalle mit entsprechenden Werten für die jeweilige Leerlaufdrehzahl und die Begrenzung des Drehmoments. Der Bediener kann somit vorteiligerweise direkt bei der Anwendung eine Optimierung dieser Parameter ausführen.

Die erfindungsgemäßen Deckel der Figuren und die oben beschriebenen Deckel bilden zusammen eine Baureihe, wobei innerhalb der Baureihe auch elektronische Schaltungen mit verschiedenen Funktionen ausbildbar sind. Beispielsweise mit oder ohne Speicher, mit oder ohne Temperatursensor etc.. Die mit Steckverbinder ausgeführten Deckel (3) können sowohl auf einem Unterteil eines Kastens als auch auf einem passenden Zwischenteil (2) eines Motoranschlusskastens aufgesetzt werden. Durch die vielseitige Verwendbarkeit kann der Deckel in großer Stückzahl produziert werden. Außerdem ist in der gezeigten Art und Weise ein Verdrahtungskonzept geschaffen worden, das insbesondere bei großen Anlagen einsetzbar ist, wobei die Elektromotoren über ein Bussystem steuerbar sind. Insbesondere bei Verwendung von Steckverbindern kann der Montage-, Installations- und Wartungsaufwand erheblich reduziert werden. Darüber hinaus laufen die Elektromotoren sanft an und das genaue Anlaufverhalten ist sogar einstellbar. Bei Einsatz von Deckeln mit programmierbarer elektronischer Schaltung, die einen Speicher aufweist, ist sogar vom Zentralrechner aus das Anlaufverhalten beeinflussbar.

In den Fig. 6a, 6b, 7, 8, 9 ist das erfindungsgemäße Verfahren genauer erläutert.

In der Fig. 6a sind im oberen Teil drei sinusförmige Phasenspannungsverläufe der dreiphasigen Versorgungsspannung gezeigt. Dabei ist der Spannungsverlauf der ersten Phase mit 101, der Spannungsverlauf der zweiten Phase mit 102 und der Spannungsverlauf der dritten Phase mit 103 bezeichnet. Die relative Phasenverschiebung zwischen diesen drei Phasenspannungen beträgt 120°. Ebenfalls im oberen Teil ist ein Steuersignalverlauf 104 gezeigt, der als Zündimpuls für alle Thyristoren in der Gleichrichterbrücke 50, also dem steuerbaren Drehstrombrücken gleichrichter, verwendet wird.

Der Zündimpuls 104 wird zum Zeitpunkt 0 gestartet und nach Ablauf des ersten Zeitintervalls mit einer Dauer von etwa 1.5 ms beendet. Thyristoren sind durch den Zündimpuls eingeschaltet und werden ausgeschaltet, wenn der jeweilige Strom des jeweiligen Thyristors im Wesentlichen Null erreicht. Je nach Vorzeichen des Stromes fließt im dreiphasigen Betrieb mindestens ein Phasenstrom über eine Diode im Drehstrombrückengleichrichter. Der zur entsprechenden Halbbrücke gehörende Thyristor ist also im Sperrzustand und bleibt selbstverständlich auch nach Beendigung des Zündimpulses sperrend.

Im unteren Teil der Fig. 6a sind die Stromverläufe für die Phasenströme angedeutet. Da der Elektromotor keine ohmsche Last darstellt, sind sie nicht proportional zu den entsprechenden Phasenspannungen. Dabei ist der Stromverlauf der ersten Phase mit 105, der Stromverlauf der zweiten Phase mit 106 und der Stromverlauf der dritten Phase mit 107 bezeichnet.

Nach Einschalten nehmen die Ströme zu und erreichen fast ihre stationären Werte. Nach Beendigung des Zündimpulses werden die Thyristoren nacheinander abgeschaltet, je nach Nulldurchgang des entsprechenden Stromes. Somit ist anfangs ein dreiphasiger Betrieb ausgeführt, in der Fig. 6a bis t = 9 ms, und nach Beendigung des Zeitintervalls ein teilweise zweiphasiger Betrieb, in der Fig. 6a bis t = 14.5 ms. Danach ist der Sternpunkt gänzlich getrennt.

In der Fig. 6b sind im oberen Teil drei sinusförmige Phasenspannungsverläufe der dreiphasigen Versorgungsspannung gezeigt. Dabei ist der Spannungsverlauf der ersten Phase mit 101, der Spannungsverlauf der zweiten Phase mit 102 und der Spannungsverlauf der dritten Phase mit 103 bezeichnet. Die relative Phasenverschiebung zwischen diesen drei Phasenspannungen beträgt 120°. Ebenfalls im oberen Teil ist ein Steuersignalverlauf 104 gezeigt, der als Zündimpuls für alle Thyristoren in der Gleichrichterbrücke 50, also dem steuerbaren Drehstrombrücken gleichrichter, verwendet wird.

Der Zündimpuls 104 wird zum Zeitpunkt 0 gestartet und nach Ablauf des ersten Zeitintervalls mit einer Dauer von etwa 14 ms beendet. Thyristoren sind durch den Zündimpuls eingeschaltet und werden ausgeschaltet, wenn der jeweilige Strom des jeweiligen Thyristors im Wesentlichen Null erreicht. Je nach Vorzeichen des Stromes fließt im dreiphasigen Betrieb mindestens ein Phasenstrom über eine Diode im Drehstrombrückengleichrichter. Der zur entsprechenden Halbbrücke gehörende Thyristor ist also im Sperrzustand und bleibt selbstverständlich auch nach Beendigung des Zündimpulses sperrend.

Im unteren Teil der Fig. 6b sind die Stromverläufe für die Phasenströme angedeutet. Da der Elektromotor keine ohmsche Last darstellt, sind sie nicht proportional zu den entsprechenden Phasenspannungen. Dabei ist der Stromverlauf der ersten Phase mit 105, der Stromverlauf der zweiten Phase mit 106 und der Stromverlauf der dritten Phase mit 107 bezeichnet.

Nach Einschalten nehmen die Ströme zu und erreichen fast ihre stationären Werte. Nach Beendigung des Zündimpulses werden die Thyristoren nacheinander abgeschaltet, je nach Nulldurchgang des entsprechenden Stromes. Somit ist anfangs ein dreiphasiger Betrieb ausgeführt und nach Beendigung des Zeitintervalls ein teilweise zweiphasiger Betrieb.

Fig. 7 zeigt einen anderen Zündimpuls, der einen anderen Zeitversatz zu den Nulldurchgängen aufweist. Der Zündimpuls 104 beginnt etwa bei t = 10 ms und endet etwa bei t = 11 ms. Er wird periodisch wiederholt nach 480°, also 4/38 . T_N, wobei T_N die Netzperiode oder Periodendauer der Versorgungsspannung ist. Die Netzperiode T_N beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 20 ms. Durch die so gewählte Wiederholung nach 480° ist bei längerer Dauer des Verfahrens eine gleichmäßige Auslastung aller Thyristoren bewirkt.

Im unteren Teil der Fig. 7 sind die zugehörigen Stromverläufe (405, 406, 407) ersetzt durch die entsprechende Darstellung der Spannungsverläufe. Die Stromverläufe gleichen zwar nicht diesen Spannungsverläufen, sind aber verwandt. Daher können diese Spannungsverläufe für eine qualitative Interpretation verwendet werden.

Man erkennt, dass von t = 10 ms bis etwa t = 13 ms ein dreiphasiger Betrieb ausgeführt wird und von t = 13 ms bis etwa t = 17 ms ein zweiphasiger Betrieb.

Durch die periodische Wiederholung ist ein dauerhafter Betrieb des Elektromotors ermöglicht, wobei das Drehmoment auf einen Wert begrenzt wird, der deutlich kleiner ist als das Nennmoment des Elektromotors. Die Drehbewegung wird zusätzlich auch von Anfangsbedingungen und Randbedingungen beeinflusst, insbesondere werden ist durch das nur zeitweise Ausüben eines Drehmoments Drehmomentschwankungen generiert.

In der Fig. 8 ist ein anderer Zündimpuls gezeigt, der eine andere Phasenschiebung oder einen anderen Zeitversatz zu Nulldurchgängen, wie insbesondere dem ersten Nulldurchgang der ersten Phasenspannung, aufweist. Er wird etwa 1 ms lang gestartet nach etwa t = 12 ms. Der dreiphasige Betrieb endet fast zeitgleich mit Beendigung des Zündimpulses. Der darauf folgende zweiphasige Betrieb endet nach etwa 16.7 ms.

Im unteren Teil der Fig. 8 sind wiederum die Spannungsverläufe (205, 206, 207) der Phasen gezeigt, die im Wesentlichen mit den Stromverläufen verwandt sind. Wenn der Elektromotor eine ohmsche Last darstellen würde, wären die Spannungsverläufe proportional zu den Stromverläufen.

Durch die periodische Wiederholung, die bei Fig. 8 dieselbe Periodendauer wie bei der Fig. 7 aufweist, ist ein dauerhafter Betrieb des Elektromotors ermöglicht, wobei das Drehmoment auf einen minimalen Wert begrenzt wird.

In der Fig. 9 ist wiederum ein Zündimpuls 304 gezeigt, der einen anderen Zeitversatz hat. Er startet für etwa 1 ms bei etwa t = 14 ms. Der dreiphasige Betrieb bleibt dann bis etwa t = 20 ms erhalten. Im unteren Teil der Fig. 9 sind wiederum die Spannungsverläufe (305, 306, 307) der Phasen gezeigt, die im Wesentlichen mit den Stromverläufen verwandt sind.

Durch die periodische Wiederholung, die bei Fig. 8 dieselbe Periodendauer wie bei der Fig. 7 aufweist, ist ein dauerhafter Betrieb des Elektromotors ermöglicht, wobei das Drehmoment auf einen maximalen Wert für die periodische Wiederholung des kurzen Zündpulses nach 480° begrenzt wird.

Die drei Werte der Phasenströme, die in den Fig. 6a und 6b mit (I(L1), I(L1), I(L1),) bezeichnet sind, bilden zusammen einen dreidimensionalen Stromraumzeiger, wobei für die drei Werte gilt, dass ihre Summe Null ist, Im Folgenden wird der Strom-Raumzeiger mit (I_R, I_S, I_T) bezeichnet. Es gilt also (I_R + I_S + I_T) = 0.

Somit ist der Stromraumzeiger zweidimensional oder komplex darstellbar. Bei dieser Darstellung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch verdeutlichen. Dabei werden als Ordinate und Abszisse (I_a, I_b)verwendet.

In der Fig. 10 ist für ein Verfahren nach dem Prinzip des Verfahrens der Fig. 6a gezeigt. Der Stromraumzeiger startet bei t = 0 ms und wächst betragsmäßig derart an, dass er fast den stationären Wert erreicht. Dabei dreht er sich rechtsherum und beschreibt mit zunehmender Zeit immer mehr eine Kreisbahn, wie für einen dreiphasigen Betrieb zugehörig. Im sich daran anschließenden, zweiphasigen Betrieb schrumpft er auf einer Ursprungsgeraden bis er den Wert Null erreicht. Eine netzperiodische Wiederholung des Zündimpulses, also nach 360° bzw. 20 ms, bewirkt ein wiederholtes Durchlaufen der Kurve durch den Stromraumzeiger. Die Kurve kann wegen ihrer Form als Blatt bezeichnet werden. Jeder Zündimpuls bewirkt sozusagen ein Blatt. Bei dem hier verwendeten Verfahren liegen die Blätter im Dauerbetrieb alle übereinander. Die Fläche des Blattes ist im Wesentlichen eine Funktion des Drehmoments. Nachteilig ist bei dieser Ausführungsform, dass die Thyristoren und die Motorwicklungen bei Dauerbetrieb nicht gleichmäßig ausgelastet werden.

In Fig. 10 ist dasselbe Verfahren gezeigt, wobei im Unterschied zu Fig. 10 eine periodische Wiederholung nach 480°, also nach 4/3 Netzperioden, ausgeführt wird. Die Thyristoren sind dabei gleichmäßig ausgelastet. Die Blätter ordnen sich mit einer Verdrehung um 120° rechtsherum aufeinanderfolgend an.

In der Fig. 12 ist dasselbe Verfahren gezeigt, wobei im Unterschied zu Fig. 11 eine periodische Wiederholung nach 600°, also nach 5/3 Netzperioden, ausgeführt wird. Die Thyristoren und die Motorwicklungen sind dabei gleichmäßig ausgelastet. Da jedoch die Blätter mit einer Verdrehung um 240° rechtsherum angeordnet sind und das Durchlaufen eines Blattes jeweils mit einem mittleren Strom-Raumzeiger in der Richtung des Blattes vom Ursprung aus gesehen beschreibbar sind, wobei die Magnetisierung des Rotors im Elektromotor noch ungefähr in der Richtung des jeweils vorausgegangenen Blattes ist, erklärt sich, dass der Elektromotor im Mittel bei diesem Zeitverssatz und dieser Periodizität der Zündimpulse statt rechtsherum linksherum dreht.

Eine solche Linksdrehung ergibt sich vorzugsweise dann, wenn die Rechtsdrehung innerhalb der einzelnen Blätter gering ist; d. h., dass der Strom-Raumzeiger gemäß Fig. 13c für ein minimales Moment eingestellt ist.

Es ist also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar ein Rückwärtsdrehen des Elektromotors ausführbar.

Fig. 13 zeigt drei Verfahren, bei denen wiederum eine Periodendauer von 4/3.20 ms oder 480° vorgegeben ist, wobei im Verfahren nach dem ersten Bild auf ein maximales Drehmoment, im Verfahren nach dem zweiten Bild auf ein mittleres Drehmoment, im Verfahren nach dem dritten Bild auf ein maximales Drehmoment begrenzt wird.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Periodendauer des Steuersignals ganz allgemein

wobei ω = 2πf und k eine natürliche ganze Zahl ist. Für f = 50 Hz ergeben sich beispielhaft in guter Näherung folgende Periodendauern (T₁, T₂, T₃) mit den entsprechenden Leerlaufdrehfrequenzen für den Elektromotor (f₁, f₂, f₃):

Bei solchen erfindungsgemäßen Verfahren sind die Thyristoren und die Motorwicklungen gleichmäßig ausgelastet und der Elektromotor dreht vorwärts, also in derjenigen Drehrichtung, in welcher der Elektromotor bei direkter Versorgung mit Netz- oder Versorgungsspannung dreht.

wobei ω = 2πf und k eine natürliche ganze Zahl ist. Bei solchen erfindungsgemäßen Verfahren sind die Thyristoren und die Motorwicklungen ebenfalls gleichmäßig ausgelastet und der Elektromotor dreht rückwärts, solange die Blätter genügend klein sind. Im Falle großer Blätter und geeigneten Anfangs- und/oder Randbedingungen ist auch ein Drehen in Vorwärtsrichtung ermöglicht. Da innerhalb des Durchlaufens eines Blattes der Strom-Raumzeiger eine Vorwärtsdrehung erzeugen würde, bei den Verfahren nach Formel (2) die Blätter aber in einer derartigen Abfolge Durchlaufen werden, dass die Orientierung aufeinanderfolgender Blätter mit 240° in Drehrichtung des Strom-Raumzeigers aufweist, also -120°, sind verschiedene Zustände erzeugbar. Wesentlichen Einfluss haben dabei die Magnetisierung des Elektromotors, Anfangs- und Randbedingungen.

Realisierungen weiterer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele sind dem Fachmann durch andere Kombinationen der in dieser Schrift beschriebenen technischen Merkmale leicht ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zur Begrenzung des Drehmoments und zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl eines Elektromotors in Sternpunktschaltung,
wobei der Elektromotor mit einer dreiphasigen Wechselspannung als Versorgungsspannung versorgt wird,
und wobei mittels eines steuerbaren Sternpunktschalters der Sternpunkt elektrisch schließbar oder trennbar ist,
aus der zeitlichen Abfolge der Nulldurchgänge der drei Phasenspannungen der Versorgungsspannung ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters abgeleitet wird
und/oder
ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters einen vorgebbaren Zeitversatz zu Nulldurchgängen der drei Phasenspannungen der Versorgungsspannung hat.

2. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal zum Ansteuern des Sternpunktschalters einen derart periodischen und pulsförmigen Verlauf hat, dass es einen vorgebbaren Zeitversatz zu jedem k-ten Nulldurchgang der drei Phasenspannungen der Versorgungsspannung hat, wobei k eine natürliche ganze Zahl ist.

3. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz dauerhaft oder innerhalb eines mindestens eine Netzperiode T_N umfassenden Zeitintervalls jeweils konstant gewählt wird.

4. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitversatz innerhalb eines ersten Zeitintervalls konstant gewählt wird und innerhalb eines oder mehrerer weiteren Zeitintervalle jeweils verschieden, aber ebenfalls konstant, gewählt wird.

5. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal dauerhaft oder innerhalb des Zeitintervalls einen periodischen Verlauf mit einer Periodendauer T aufweist.

6. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuersignal Zündimpulse für Thyristoren verwendet werden.

7. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuersignal Zündimpulse für Thyristoren verwendet werden.

8. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer T den mit dem Faktor g multiplizierten Wert T_N, also T = g.T_N, hat, wobei der Faktor g innerhalb des Zeitintervalls konstant ist.

9. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor g den Wert n/3 hat, wobei n eine konstante ganze natürliche Zahl ist, insbesondere also 1, 2, 3 oder 4 usw.

10. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor g den Wert k + 1/3, hat, wobei k eine konstante ganze natürliche Zahl ist, insbesondere also 1, 2, 3 oder 4 usw.

11. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor g den Wert k - 1/3, hat, wobei k eine konstante ganze natürliche Zahl ist, insbesondere also 1, 2, 3 oder 4 usw..

12. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufdrehzahl des Elektromotors in Stufen vorgebbar ist.

13. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor abhängig vom Steuersignal zeitlich aufeinander folgend dreiphasig und dann zweiphasig betrieben wird, bevor der Betrag des Strom-Raumzeigers zu Null wird oder kleiner wird als ein Tausendstel des Nennstromes.

14. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Strom-Raumzeigers des Elektromotors mit der Periodendauer T den Wert Null erreicht oder kleiner wird als ein Tausendstel des Nennstromes.

15. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Raumzeiger in zweidimensionaler oder komplexer Darstellung weniger Fläche in dem Zeitintervall überstreicht als bei dauerhaft geschlossenem Sternpunktschalter.

16. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Raumzeiger in zweidimensionaler oder komplexer Darstellung mindestens zeitabschnittsweise auf Geraden und/oder Ursprungs-Geraden sich bewegt.

17. Verfahren nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wert für Begrenzung des Drehmoments vorgebbar oder einstellbar ist und der Verlauf des Steuersignals, also Dauer, Periodizität und/oder Form, oder g, n, und/oder k abhängig von diesem Wert für Begrenzung des Drehmoments bestimmt werden.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunktschalter mehrere elektronische Leistungsschalter aufweist.

19. Vorrichtung nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunktschalter als steuerbarer Drehstrom-Brückengleichrichter ausgeführt ist, der als elektronische Leistungsschalter mindestens drei einschaltbare Stromventile umfasst.

20. Vorrichtung nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter elektrisch derart verbunden sind, dass sie mit einem gleichen Steuersignal ansteuerbar sind.

21. Vorrichtung nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter Thyristoren umfassen.

22. Vorrichtung nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Leistungsschalter zusammen mit der restlichen Steuer- und Leistungselektronik in den Motoranschlusskasten integriert ist und zwischen Motor und Leistungselektronik ein größerer Wärmewiderstand vorhanden ist, insbesondere durch eine wärmeisolierende Schicht, als zur Umgebung des Motoranschlusskastens.

23. Vorrichtung nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektronik, umfassend Zeitglied und/oder Elektronik zur Generierung von Steuersignal, zur Leistungselektronik einen größeren Wärmewiderstand aufweist, insbesondere durch eine wärmeisolierende Schicht, als zur Umgebung des Motoranschlusskastens.

24. Vorrichtung nach mindesten einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Eingabe mindestens eines Wertes für Drehmomentbegrenzung vorhanden sind.