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Die
Erfindung betrifft eine Anlasseinrichtung für einen Anlaufvorgang
eines Gleichstrommotors gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1; eine derartige Anlasseinrichtung ist z. B. aus
der
JP 03098480 A bekannt.
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Eine
Anlasseinrichtung für einen Gleichstrommotor umfasst üblicherweise
eine in Reihe zu dem Motor geschaltete Reihenschaltung oder Parallelschaltung
von Vorwiderständen in Form von ohmschen Widerständen
für den anzulassenden Motor, wobei die ohmschen Widerstände über
eine elektronische Steuereinrichtung und elektronische Leistungshalbleiterschalter
(z. B. Thyristoren, GTOs, IGBTs) zeitgesteuert stufenweise durch Überbrückung abgeschaltet
(bei einer Reihenschaltung der Vorwiderstände) oder zugeschaltet
und abschlißend durch Überbrückung abgeschaltet
(bei einer Parallelschaltung der Vorwiderstände) werden.
Hierdurch kann der Gesamtvorwiderstand des Motors von einem anfänglichen
Maximalwert stufenweise bis auf Null reduziert und somit der Einschaltstrom
des Motors begrenzt und dennoch der Motor gegen ein Lastmoment einer
Arbeitsmaschine optimal beschleunigt werden. Eine derartige Anlasseinrichtung
ist beispielsweise in der
JP
03098480 A beschrieben.
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Da
das Zuschalten und/oder Abschalten der Vorwiderstände üblicherweise
durch aktives Schalten der Halbleiterschalter durch die Steuereinrichtung
auf Stromfluss erfolgt, kann bei unmittelbarem oder mittelbarem
Ausfall der elektronischen Steuereinrichtung und/oder der Halbleiterschalter
der Gleichstrommotor nicht mehr in Betrieb genommen werden. Für
wichtige Gleichstrommotoren wie z. B. Antriebsmotoren für
Lenzpumpen oder Luftverdichter auf Schiffen, insbesondere Unterwasserschiffen,
ist es deshalb wünschenswert bzw. erforderlich, trotz Ausfall
der Elektronik einen Betrieb sicherzustellen.
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Hierzu
wurden bisher wichtige Komponenten der Anlasseinrichtung redundant
vorgesehen und somit die Wahrscheinlichkeit von Totalausfällen
reduziert.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Anlasseinrichtung
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart
weiterzubilden, dass die Wahrscheinlichkeit von Totalausfällen
noch weiter reduziert werden kann.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, dass die Anlasseinrichtung
eine manuell betätigbare Schalteinrichtung zur Zuschaltung
und/oder Abschaltung der Vorwiderstände unabhängig
von den Halbleiterschaltern und von der elektronischen Steuereinrichtung
aufweist. Die Anlasseinrichtung wird somit um eine manuell betätigbare
Schalteinrichtung erweitert, mittels der bei einem Ausfall der Elektronik
der Anlasseinrichtung der Motor manuell durch eine Bedienperson
zum Anlaufen gebracht und somit dessen Betrieb ermöglicht
werden kann. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit von Totalausfällen
in hohem Maße reduziert werden.
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Bevorzugt
umfasst die manuell betätigbare Schalteinrichtung zur Zuschaltung
und/oder Abschaltung der Vorwiderstände einen Nockenschalter
mit Schaltkontakten, die parallel zu den Halbleiterschaltern geschaltet
sind. Hierdurch kann auch unter erschwerten Einsatzbedingungen,
wie sie z. B. in Schiffen vorliegen, besonders zuverlässig
eine selektive und somit stufenweise Überbrückung
der Schaltkontakte erfolgen und damit der Anlaufvorgang des Gleichstrommotors
gezielt gesteuert werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt
eine Bewegung des Nockenschalters von einer Anfangsstellung, in
der alle Schaltkontakte geöffnet sind, in eine Endstellung zu
einem nacheinander erfolgenden Schließen der Schaltkontakte.
Hierdurch kann der Gesamtvorwiderstand des Motors besonders präzise
und zuverlässig stufenweise reduziert werden.
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Zur
manuellen Betätigung der Schalteinrichtung kann diese ein
Stellelement aufweisen, das mit dem Nockenschalter derart gekoppelt
ist, dass eine Bewegung des Stellelementes von einer ersten Stellung
in eine zweite Stellung zu einer Bewegung des Nockenschalters von
seiner Anfangsstellung in seine Endstellung führt. Hierdurch
ist eine besonders präzise, manuelle Steuerung des Anlaufvorganges
des Gleichstrommotors durch eine Bedienperson möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist das Stellelement mit dem Nockenschalter
zusätzlich noch derart gekoppelt, dass eine Bewegung des
Stellelementes von seiner zweiten Stellung in seine erste Stellung
zu einer Bewegung des Nockenschalters von seiner Endstellung in
seine Anfangsstellung führt. Eine Bedienperson kann dann über
das Stellelement den Anlaufvorgang des Gleichstrommotors auch gezielt
abbrechen.
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Bevorzugt
weist die Schalteinrichtung dabei ein Federelement auf, welches
derart mit dem Stellelement gekoppelt ist, dass es bei einer Bewegung des
Stellelementes von seiner ersten Stellung in Richtung zu seiner
zweiten Stellung gespannt wird und hierdurch eine entgegengesetzt
zu der Richtung der Bewegung des Stellelementes auf das Stellelement
wirkende Kraft ausübt. Bei einem Loslassen des Stellelementes
durch einen Bediener wird das Stellelement und damit auch der Nockenschalter
somit automatisch wieder in die erste Stellung bzw. Anfangsstellung
gebracht. Damit wird ein versehentliches Verbleiben der Anlasseinrichtung
in einer Anlassstufe vermieden.
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Bevorzugt
weist die Schalteinrichtung eine Bremse zur Arretierung des Nockenschalters
in seiner Endstellung auf. Hierdurch kann eine Bedienperson das
Stellelement in seiner zweiten Stellung, wenn der Motor durch Überbrückung
sämtlicher Halbleiterschalter vollständig hochgefahren
ist, loslassen, ohne dass der Nockenschalter durch die Federkraft
wieder in seine Anfangsstellung zurückbewegt wird.
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Bevorzugt
ist die Bremse eine durch die Gleichspannungsversorgungsquelle des
Gleichstrommotors gespeiste Bremse, insbesondere eine Magnetbremse.
Bei einem Ausfall der Gleichspannungsversorgung, z. B. bei einem
Netzausfall, wird dann die Arretierung des Nockenschalters in seiner Endstellung
aufgehoben und der Nockenschalter durch das gespannte Federelement
in die Anfangsstellung zurückbewegt, in der sämtliche
Schaltkontakte geöffnet und somit die Halbleiterschalter
nicht überbrückt sind. Hierdurch kann ein automatischer Wiederanlauf
des Gleichstrommotors nach einer Wiederkehr der Gleichspannungsversorgung
verhindert werden.
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Um
einer Bedienperson trotz der Bremse noch die Möglichkeit
zu geben, die Arretierung des Nockenschalters in seiner Endstellung
zu lösen, ist das Stellelement mit der Bremse von Vorteil
derart gekoppelt, dass eine Bewegung des Stellelementes von seiner
zweiten Stellung in Richtung zu seiner ersten Stellung die Bremse
löst.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Nockenschalter
zusätzliche Schaltkontakte zur Verbindung der Anlasseinrichtung
mit der Gleichspannungsversorgungsquelle des Gleichstrommotors auf,
wobei diese zusätzlichen Schaltkontakte in der Anfangsstellung
des Nockenschalters geöffnet sind und eine Bewegung des
Nockenschalters von seiner Anfangsstellung in Richtung zu seiner
Endstellung zu einem Schließen dieser zusätzlichen
Schaltkontakte führt. Diese zusätzlichen Schaltkontakte
können dann derart in die Einspeisung der Anlasseinrichtung
geschaltet werden, dass in der Anfangsstellung des Nockenschalters
die Schaltkontakte zur Abschaltung der Vorwiderstände den
Gleichstrommotor galvanisch von der Spannungsversorgung des Gleichstrommotors
trennen und für das Zuschalten von Vorwiderständen
bei Durchlaufen der Anlassstufen mit der Spannungsversorgung des
Gleichstrommotors verbinden.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden
im Fol genden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert. Darin zeigen:
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1 einen üblichen
Leistungskreis einer rein elektronischen Anlasseinrichtung,
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2 die
um eine manuell betätigbare Schalteinrichtung erweiterte
elektronische Anlasseinrichtung von 1, und
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3 eine
Abwicklung eines Nockenschalters der manuell betätigbaren
Schalteinrichtung von 2.
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1 zeigt
einen üblichen Leistungskreis einer rein elektronischen
Anlasseinrichtung 1 für einen Gleichstrommotor 2.
Die Anlasseinrichtung 1 ist elektrisch zwischen eine Gleichspannungsversorgungsquelle 3 des
Motors 2 und den Motor 2 geschaltet und umfasst
eine in Reihe zu dem Anker 5 des Motors 2 geschaltete
Parallelschaltung mehrerer Vorwiderstände 4 in
Form ohmscher Widerstände. Die Vorwiderstände 4 sind
mittels elektronischer Leistungshalbleiterschalter 6 (z.
B. Thyristoren, GTOs, IGBTs) zuschaltbar bzw. abschaltbar. Der Stromfluss
durch die elektronischen Leistungshalbleiterschalter 6 und somit
deren Schaltstellung ist über eine elektronische Steuereinrichtung 7 steuerbar.
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Die
Anlasseinrichtung 1 weist fünf Anlassstufen A
bis E auf, von denen jede je einen Vorwiderstand 4 und
einen in Serie dazu geschalteten Leistungshalbleiterschalter 6 aufweist.
Mittels einer weiteren, parallel zu den Anlassstufen A bis E geschalteten Überbrückungsstufe
U mit einem Überbrückungsstromzweig 8 mit
einem weiteren Leistungshalbleiterschalter 6 können
sämtliche Anlassstufen A bis E überbrückt
und somit im Grunde sämtliche Vorwiderstände 4 abgeschaltet
werden. Über einen Abzweig 9 wird darüber
hinaus eine Motor-Erregerwicklung 10 mit Strom versorgt.
Zur Begrenzung des Stromes der Motorerregerwicklung 9 dient
ein Vorwiderstand 11.
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Bei
einem Anlaufvorgang werden die Leistungshalbleiterschalter 6 von
einer automatische Zeitablaufsteuerung in der elektronische Steuereinrichtung 7 zeitlich
nacheinander geschlossen, wobei in einem ersten Schritt nacheinander
die Anlassstufen A bis E zugeschaltet, wodurch der insgesamt in Serie
zu dem Motoranker 5 geschaltete Gesamtvorwiderstand stufenweise
von einem Maximalwert auf immer kleinere Werte reduziert wird, und
anschließend der Überbrückungsstromzweig 8 der Überbrückungsstufe
U geschlossen wird, wodurch der Gesamtvorwiderstand des Ankers 5 auf
Null reduziert wird. Hierdurch ist es möglich, den Einschaltstrom des
Motors 2 zu begrenzen und dennoch den Motor 2 gegen
ein Lastmoment einer Arbeitsmaschine des Motors optimal zu beschleunigen.
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Bei
dem Motor 2 handelt es sich beispielsweise um einen Antriebsmotor
für eine Lenzpumpe oder einen Luftverdichter auf einem
Schiff, insbesondere auf einem Unterwasserschiff. An einen derartigen
Antrieb werden sehr hohe Anforderungen an die Ausfallssicherheit
gestellt. Bei unmittelbarem oder mittelbarem Ausfall der elektronischen
Steuereinrichtung 7 und/oder der Halbleiterschalter 6 kann
der Gleichstrommotor 2 jedoch nicht mehr in Betrieb genommen
werden.
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Gemäß 2 ist
deshalb die Anlasseinrichtung 2 um eine manuell betätigbare
Schalteinrichtung 12 zur Zuschaltung der Vorwiderstände 4 und
des Überbrückungsstromzweiges 8 erweitert.
Die manuell betätigbare Schalteinrichtung 12 umfasst
einen in 3 näher dargestellten
Nockenschalter mit Schaltkontakten 13 die den Halbleiterschaltern 6 parallel
geschaltet sind. Die Schalteinrichtung 12 weist hierzu
für jeden der Halbleiterschalter 6 der Anlassstufen
A bis E und des Überbrückungsstromzweiges 8 jeweils
einen, dem jeweiligen Halbleiterschalter 6 parallel geschalteten,
Schaltkontakt 13 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
ist die elektronische Steuereinrichtung 7 in 2 nicht
dargestellt.
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Mittels
der manuell betätigbaren Schalteinrichtung 12 können
die Anlassstufen A bis E und der Überbrückungsstromzweig 8 unabhängig
von der elektronischen Steuereinrichtung 7 und/oder den Halbleiterschalters 6 zugeschaltet
werden. Durch eine derartige Erweiterung der Anlasseinrichtung 1 mit
einer manuell betätigbaren Schalteinrichtung 12 kann
der Gleichstrommotor 2 auch bei einem Ausfall der elektronischen
Steuerungseinrichtung 7 und/oder eines oder mehrerer der
Leistungshalbleiter 6 betrieben werden, da das Anlassen
in diesem Fall nicht über die Elektronik der Anlasseinrichtung
erfolgen muss, sondern manuell durch einen Bediener erfolgen kann.
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Der
Nockenschalter weist weiterhin zwei zusätzliche Schaltkontakte 15 auf,
von denen der eine zwischen einen Pluspol der Gleichspannungsversorgungsquelle 3 und
den Gleichstrommotor 2 und der andere zwischen einen Minuspol
der Gleichspannungsversorgungsquelle 3 und den Gleichstrommotor 2 geschaltet
ist. Hierdurch ist eine galvanische Trennung der Anlasseinrichtung 1 von
der Gleichspannungsversorgung 3 möglich.
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Wie
die in 3 gezeigte Schalterabwicklung zeigt, besteht der
Nockenschalter 20 selbst in einer für den Fachmann
geläufigen Bauweise im Wesentlichen aus einer Schaltwelle 21 mit
nicht näher dargestellten Nockenscheiben, den Nockenschaltkontakten 13, 15, 16 mit
nicht näher dargestellten Lichtbogenkammern sowie einigen
Hilfsschaltern.
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Der
Schalter 20 weist die Schaltstellungen (Raststellungen)
AUS, M1 bis M5 und MEIN auf. Wie aus der Schalterabwicklung ersichtlich
ist, führt eine Drehung der Schaltwelle 21 von
der Anfangsschaltstellung AUS über die Schaltstellungen
M1 bis M5 in die Endschaltstellung MEIN zu einem nacheinander erfolgenden
Schließen der Schaltkontakte 13.
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Ein
Handrad 22 dient als manuell betätigbares Stellelement
für die Schaltwelle 21 des Nockenschalters 20.
Das Handrad 21 ist derart mit der Schaltwelle 21 des
Nockenschalters 20 gekoppelt, so dass eine Drehung des
Handrades 22 von einer ersten Stellung X zu einer zweiten
Stellung Y zu einer entsprechenden Drehung der Schaltwelle 21 von
deren Anfangsstellung AUS zu deren Endstellung MEIN und umgekehrt
eine Drehung des Handrades 22 von der zweiten Stellung
Y zu der ersten Stellung X zu einer entsprechenden Drehung der Schaltwelle 21 von deren
Endstellung MEIN zu deren Anfangsstellung AUS führt. Vorzugsweise
ist das Handrad hierzu mechanisch starr mit der Schaltwelle 21 des
Nockenschalters 20 verbunden.
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In
der Anfangsstellung AUS sind sämtliche Schaltkontakte 13, 15, 16 geöffnet.
Bei einer Drehung der Schaltwelle 21 mittels des Handrades 22 von
der Stellung AUS zu der Stellung M1 werden in der Stellung M1 zum
einen die Kontakte 15 geschlossen, wodurch die Anlasseinrichtung 1 mit
der Gleichspannungsquelle 3 verbunden wird, und zum anderen
der Schaltkontakt 13 der Anlassstufe A geschlossen und
somit der Widerstand 4 der Anlassstufe A in Serie zu dem
Anker 5 des Motors 2 geschaltet.
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Eine
weitere Drehung der Schaltwelle 21 von der Schaltstellung
M1 über die Schaltstellungen M2, M3 und M4 bis zu der Schaltstellung
M5 führt zu einem nacheinander erfolgenden Schließen
der Schaltkontakte 13 der Schaltstufen B bis E und somit zu
einer stufenweise Zuschaltung der entsprechenden Vorwiderstände 4,
was insgesamt zu einer Reduzierung des Gesamtvorwiderstandes für
den Anker des Motors 2 führt.
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Die
Schaltstellungen M1 bis M5 bleiben dabei je nach Anlaufcharakteristik
des Motors durch den Bediener für eine gewisse Zeit betätigt,
bis der Motor beschleunigt. Die Anzahl der Raststellungen entspricht
im Normalfall der Anzahl der Halbleiterschalter und richtet sich
wie diese nach Größe und Anlassschwere des Antriebes.
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Eine
weitere Drehung des Handrades 22 in die Stellung Y dreht
die Schaltwelle 21 in die Schaltstellung MEIN, in der der
Schaltkontakt 13 des Überbrückungsstromzweiges 8 der Überbrückungsstufe
U und der Magnetbremskontakt 16 geschlossen werden. Durch
das Schließen des Stromzweiges 8 der Überbrückungsstufe
U werden die Anlassstufen A bis E überbrückt,
so dass der Anker des Motors 2 nun ohne einen Vorwiderstand 4 mit
der Gleichspannungsversorgungsquelle 3 verbunden ist. Durch
das Schließen des Magnetbremskontaktes 16 wird
eine Magnetbremse 24 aktiviert, die den Nockenschalter 20 in
der Endstellung MEIN arretiert.
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Während
der Drehbewegung des Handrades 22 von der Stellung X zu
der Stellung Y bzw. der Schaltwelle 21 von der Anfangsstellung
AUS zu der Endstellung MEIN wird eine mit der Schaltwelle verbundene
Rückholfeder 23 derart gespannt bzw. aufgezogen,
dass sie eine entgegengesetzt zu der Richtung der Bewegung des Handrades 22 durch
eine Bedienperson auf das Handrad wirkende Kraft ausübt.
Wenn die Bedienperson das Handrad 22 vor Erreichen der
zweiten Stellung Y loslässt, werden das Handrad 2 und
die Schaltwelle 21 durch die Rückholfeder 23 automatisch
wieder in die erste Stellung X bzw. die Anfangsstellung AUS gebracht.
Damit wird ein versehentliches Verbleiben in einer der Anlassstufen
A bis E vermieden.
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In
der Endstellung MEIN kann eine Bedienperson dagegen aufgrund der
Arretierung der Schaltwelle 21 durch die Magnetbremse 24 das
Handrad 22 loslassen, ohne dass die Schaltwelle 21 aufgrund
der Rückholfeder 23 wieder in die Anfangsstellung
AUS fährt.
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Da
die Magnetbremse 24 durch die Gleichspannungsversorgungsquelle 3 gespeist
wird, führt ein Ausfall der Gleichspannungsversorgung zu
einer Aufhebung der Arretierung, so dass die Schaltwelle 21 durch
die aufgezogene Rückholfeder 23 wider in die Anfangsstellung
AUS zurückgedreht wird. Hierdurch wird eine z. B. auf Schiffen
geforderte Sicherheitsbedingung, die sogenannte "Wiederanlaufsperre",
realisiert und der Motor kann nach einer Spannungswiederkehr nicht
selbsttätig anlaufen.
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Die
Schaltwelle 21 kann aber auch durch eine Bedienperson von
der Endstellung MEIN in die Anfangsstellung AUS gebracht werden,
indem sie mittels des Handrades 22 die Schalterwelle 21 von der
Endstellung MEIN in Richtung zu der Anfangsstellung AUS dreht und
dabei das Bremsmoment der Magnetbremse 23 überwindet.
Nach Überwindung des Bremsmomentes bewegt die Rückholfeder 23 die
Schalterwelle 21 automatisch wieder in die Anfangsstellung
AUS.
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Die
Erfindung wurde beispielhaft anhand einer in Reihe zu dem Anker
des Motors 2 geschalteten Parallelschaltung von Vorwiderständen 4 erläutert,
ist jedoch in entsprechender Weise auch bei einer Anlasseinrichtung
mit einer in Reihe zu dem Anker des Motors 2 geschaltete
Reihenschaltung von Vorwiderständen 4 anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A [0001, 0002]