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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Versorgung
mehrerer Elektromotoren über
eine gemeinsame Motorstromleitung. Die Erfindung bezieht sich des
Weiteren auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In
industriellen Anwendungen, insbesondere Fertigungsanlagen, sind
oft mehrere Elektromotoren in Gruppen nahe beieinander angeordnet.
So ist beispielsweise in der Umgebung eines (Haupt-)Elektromotors
häufig
mindestens ein weiterer Elektromotor, insbesondere ein Elektromotor
wesentlich geringerer Leistung angeordnet. Bei dem weiteren Elektromotor handelt
es sich beispielsweise um einen Hilfsmotor, einen Lüftermotor,
etc.
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Die
Elektromotoren derselben Motorengruppe müssen hierbei in der Regel unabhängig voneinander
angesteuert werden, insbesondere zeitlich versetzt zueinander und/oder
mit unterschiedlicher Drehzahl und unterschiedlicher Last. Die einzelnen Elektromotoren
einer solchen Motorengruppe sind daher üblicherweise einzeln über jeweils
separate Motorstromleitungen mit einem jeweils zugeordneten Spannungserzeuger
verbunden. Diese Separatverdrahtung verursacht einen oft nicht unerheblichen Material-
und Herstellungsaufwand.
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In
besonderem Maße
ist die Separatverdrahtung mehrerer Elektromotoren einer Motorengruppe dann
von Nachteil, wenn diese Motorengruppe Teil eines bewegten Systems
ist. Herkömmlicherweise werden
in diesem Fall die Motorstromleitungen der einzelnen Elektromotoren
zu einem Schleppleitungsbündel
zusammengefasst und hierüber
mit den üblicherweise
stationären
Spannungserzeugern verbunden. Die Herstellung und Führung eines
solchen Schleppleitungsbündels
ist nur aufwändig
zu realisieren. Außerdem
ist ein solches Schleppleitungsbündel ver schleißanfällig. Diese
Nachteile fallen umso mehr ins Gewicht, je größer das Gewicht, der Durchmesser und
die Länge
des Leitungsbündels
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach und flexibel einsetzbares
Verfahren zur unabhängigen
elektrischen Versorgung mehrerer Elektromotoren anzugeben. Der Erfindung
liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung dieses
Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Danach ist vorgesehen, in einer Motorstromleitung, die über einen
Hauptstrang mit einem ersten Elektromotor, und über einen Zweigstrang mit einem
zweiten Elektromotor verbunden ist, eine Gesamtspannung (nachfolgend
Motorspannung) zu erzeugen, die aus einer Primärspannung einer ersten Frequenz
und einer dieser überlagerten
Sekundärspannung
einer hiervon verschiedenen weiteren Frequenz gebildet ist. Verfahrensgemäß wird hierbei
zur Versorgung des zweiten Elektromotors ein Spannungsanteil dieser
Motorspannung, der zumindest im Wesentlichen der Sekundärspannung
entspricht, selektiv in den Zweigstrang der Motorstromleitung ausgekoppelt
und dem zweiten Elektromotor zugeleitet. Ein weiterer Spannungsanteil
der Motorspannung wird über
den Hauptstrang der Motorstromleitung dem ersten Elektromotor zugeleitet.
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Bezüglich der
Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
7. Danach umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung der vorstehend beschriebenen
Motorspannung einen Umrichter, der über den Hauptstrang der Motorstromleitung
mit dem ersten Elektromotor, und über den Zweigstrang der Motorstromleitung
mit dem zweiten Elektromotor verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst
weiterhin einen in der Motorstromleitung angeordneten Filter zur
Abzweigung des im Wesentlichen der Sekundärspannung entsprechenden Spannungsanteils
in den Zweigstrang.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem ersten Elektromotor um einen Haupt-Elektromotor
mit vergleichsweise großer
Leistung, bei dem zweiten Elektromotor um einen Elektromotor mit
demgegenüber wesentlich
geringerer Leistung, insbesondere um einen Hilfs- oder Lüftermotor.
Die Erfindung kann aber auch zur Versorgung einer Motorengruppe
mit zwei Elektromotoren vergleichbarer Leistung eingesetzt werden.
Die Erfindung kann zudem auch zur Versorgung einer Motorengruppe
mit mehr als zwei Elektromotoren eingesetzt werden. Sofern mehr
als zwei dieser Motoren unabhängig
angesteuert werden sollen, werden im Zuge dieses erweiterten Verfahrens der
Primärspannung
mehrere Sekundärspannungen mit
jeweils unterschiedlicher Frequenz überlagert, diesen Sekundärspannungen
entsprechende Spannungsanteile jeweils selektiv in mehrere Zweigstränge der
Motorstromleitung ausgekoppelt und dem jeweils zugeordneten Elektromotor
zugeleitet.
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Bei
der Motorstromleitung und deren Strängen handelt es sich vorzugsweise
um eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige Leitung. Entsprechend
handelt es sich vorzugsweise auch bei der Primärspannung und der Sekundärspannung
jeweils um mehrphasige Spannungssignale mit insbesondere sinoidalem
(d. h. sinusähnlichen
oder sinusförmigen)
Spannungsverlauf, wobei jeweils eine Phase der Sekundärspannung
einer zugeordneten Phase der Primärspannung überlagert wird.
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Durch
das Verfahren und die zugehörige
Vorrichtung wird ermöglicht,
mehrere Elektromotoren zumindest weitgehend über eine gemeinsame Motorstromleitung
elektrisch zu versorgen. Der infolgedessen durch eingesparten Material-,
Herstellungs- und Installationsaufwand
bewirkte Vorteil tritt umso mehr zutage, je größer die Leitungslänge der
Motorstromleitung ist, und je mehr separate Leitungen eingespart
werden können.
Die Erzeugung der in der Motorstromleitung geführten Gesamtspannung in Form zweier
oder mehrerer spektral voneinander beabstandeter Spannungsanteile,
nämlich
der Primärspannung
und der mindestens einen Sekundärspannung,
ermöglicht
hierbei eine einfach realisierbare Separation dieser Spannungsanteile in
der Umgebung der Elektromotoren und somit die unabhängige Versorgung
dieser Motoren.
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In
einer besonders einfachen Verfahrensvariante wird der in den Zweigstrang
der Motorstromleitung ausgekoppelte Spannungsanteil – im Wesentlichen
also die Sekundärspannung – direkt
und unverändert
zum Antrieb des zweiten Elektromotors herangezogen. Diese Verfahrensvariante
ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn der zweite Elektromotor
bei fester Drehzahl läuft
oder nur in einem kleinen Frequenzbereich zu steuern ist, zumal
für die
Sekundärspannung
aufgrund der erforderlichen spektralen Trennung zur Primärspannung
nur ein eingeschränkter
Frequenzbereich zur Verfügung
steht. Insbesondere ist der für
die Sekundärspannung
zur Verfügung
stehende Frequenzbereich – wenn
die Sekundärspannung
eine höhere
Frequenz aufweist als die Primärspannung – zu niedrigen
Frequenzen hin begrenzt, so dass der zweite Elektromotor durch die Sekundärspannung
nicht beliebig langsam gefahren werden kann. Unproblematisch und
aufgrund ihrer Einfachheit besonders vorteilhaft ist diese Verfahrensvariante
insbesondere dann, wenn der zweite Elektromotor einen Lüfter antreibt.
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Für Anwendungsfälle, bei
denen beide Elektromotoren mit beliebig geringer Drehzahl antreibbar oder
in einem großen
Frequenzbereich regelbar sein müssen,
ist in einer alternativen Verfahrensvariante vorgesehen, den in
den Zweigstrang abgezweigten Spannungsanteil – also im Wesentlichen die
Sekundärspannung – vor der
Zuführung
zu dem zweiten Elektromotor nochmals auf eine andere Frequenz und
gegebenenfalls eine andere Amplitude umzurichten. Eine zur Durchführung dieser
Verfahrensvariante ausgebildete Ausführungsform der Vorrichtung umfasst
zweckmäßigerweise
zusätzlichen
einen im Zweigstrang der Motorstromleitung angeordneten Umrichter.
Sofern im Zweigstrang der Motorstromleitung nur kleine Leistungen
zu übertragen
sind, handelt es sich bei diesem Umrichter zweckmäßigerweise
um einen durch einen integrierten Schaltkreis gebildeten Kleinumrichter.
Solche Kleinumrichter sind preisgünstig kommerziell erhältlich.
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In
einer weiteren Variante des Verfahrens wird der im Zweigstrang ausgekoppelte
Spannungsanteil zur Versorgung eines mit dem Zweigstrang verbundenen
Gleichstrommotors gleichgerichtet. Anstelle des bei der vorstehend
beschriebenen Vorrichtungsvariante vorgesehenen Kleinumrichters
ist bei einer zugehörigen
weiteren Vorrichtungsvariante im Zweigstrang ein Gleichrichter vorgesehen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
des Verfahrens bzw. der zugehörigen
Vorrichtung wird die Sekundärspannung
derart erzeugt, dass sie aufgrund ihrer Frequenz und/oder Amplitude
zum Antrieb des mit dem Hauptstrang verbundenen Elektromotors ungeeignet
ist. Insbesondere wird die Sekundärspannung mit derart hoher
Frequenz und/oder geringer Amplitude erzeugt, dass sie den ersten
Elektromotor aufgrund seiner mechanischen und/oder induktiven Trägheit nicht
wesentlich beeinflusst. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Rückwirkung
der Sekundärspannung
auf den im Hauptstrang der Motorstromleitung angeordneten ersten
Elektromotor ohne zusätzlichen
Schaltungsaufwand sicher vermieden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens wird die Motorstromleitung
nicht nur zur Energieübertragung,
sondern auch zur Übertragung von
Signalen, insbesondere Steuersignalen und/oder Sensorwerten zwischen
zwei an die Motorstromleitung angeschlossenen Geräten, insbesondere
dem eingangsseitig an die Motorstromleitung angeschlossenen Umrichter
und dem gegebenenfalls in dem Zweigstrang der Motorstromleitung
angeordneten Kleinumrichter, genutzt. Im Zuge dieser – unididrektionalen
oder bidirektionalen – Signalübertragung
wird der Primärspannung
und der Sekundärspannung eine
Tertiärspannung
einer wiederum weiteren Frequenz überlagert, die der Signalübertragung
dient. Zusätzlich
oder alternativ hierzu ist vorgesehen, die Sekundärspannung
zur Signalübertragung
frequenzzumodulieren.
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Die
Sekundärspannung
wird insbesondere als so genanntes Differentialmodussignal (differential mode
signal) in mindestens zwei Phasenleitern der Motorstromleitung erzeugt.
Dies ermöglicht
es, den zweiten Elektromotor ausschließlich über die Phasenleitungen der
Motorstromleitung an dem eingangsseitig der Motorstromleitung angeordneten Umrichter
anzubinden. Eine zusätzliche
Erdverbindung zwischen dem Umrichter und dem zweiten Elektromotor
ist somit nicht erforderlich und in der Regel auch nicht vorgesehen.
Als Differentialmodussignal wird hierbei ein zeitlich variierendes,
mehrphasiges elektrisches Spannungssignal bezeichnet, dessen Phasen
sich zu jedem Zeitpunkt zu Null addieren. Die Sekundärspannung
wird in diesem Sinne insbesondere als dreiphasiges Drehspannungssignal erzeugt.
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Der
zur Abzweigung des Spannungsanteils in die Zweigleitung vorgesehene
Filter ist insbesondere als Frequenzfilter ausgebildet und trennt
die der Primärspannung
bzw. Sekundärspannung
entsprechenden Spannungsanteile aufgrund ihres spektralen Abstands.
In zweckmäßiger Ausführung der
Erfindung hat die Sekundärspannung
eine wesentlich höhere
Frequenz als die Primärspannung.
Der Filter ist in diesem Fall als Hochpassfilter gebildet, insbesondere
durch eine Anzahl von Sperrkondensatoren, durch die der Zweigstrang
kapazitiv an den Hauptstrang der Motorstromleitung angebunden ist.
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Zur
Signalübertragung
nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren umfasst die zugehörige Vorrichtung
zweckmäßigerweise
eine mit der Motorstromleitung verbundene Signalerzeugungseinheit zur
Aufmodulation der Tertiärspannung
auf die Motorspannung sowie eine an anderer Stelle mit der Motorstromleitung
verbundene Signalempfangseinheit zur selektiven Erfassung der Tertiärspannung.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
einem schematisch vereinfachten Schaltbild eine Vorrichtung zur
unabhängigen
elektrischen Versor gung zweier Elektromotoren über eine gemeinsame Motorstromleitung,
sowie
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2 in
Darstellung gemäß 1 eine
Variante der dortigen Vorrichtung.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen ersten Elektromotor 1, einen zweiten Elektromotor 2,
einen (Wechselstrom-)Umrichter 3 sowie eine Motorstromleitung 4, die
den Umrichter 3 sowohl mit dem ersten Elektromotor 1 als
auch mit dem zweiten Elektromotor 2 verbindet. Bei dem
ersten Elektromotor 1 handelt es sich beispielsweise um
einen Hauptmotor vergleichsweise großer Leistung. Bei dem zweiten
Elektromotor 2 handelt es sich beispielsweise um einen
Motor für
einen dem ersten Elektromotor 1 zugeordneten Lüfter. Der
zweite Elektromotor 2 hat in diesem Anwendungsfall eine
wesentlich geringere Leistung als Motor 1.
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Bei
beiden Elektromotoren 1 und 2 handelt es sich
um dreiphasige Wechselstrommotoren. Entsprechend ist auch die Motorstromleitung 4 dreiphasig
ausgebildet, und umfasst somit drei Phasenleiter L1, L2 und L3.
Zur Versorgung der beiden Elektromotoren 1 und 2 verzweigt
sich die Motorstromleitung 4 in einen Hauptstrang 5,
an den der Elektromotor 1 angeschlossen ist, sowie in einen
Zweigstrang 6, an den der Elektromotor 2 angeschlossen
ist. In schaltungstechnisch günstiger
Ausbildung zweigt der Zweigstrang 6 unmittelbar am Elektromotor 1,
insbesondere in dessen Klemmenkasten, von dem Hauptstrang 5 ab.
Insbesondere sind die drei Phasenleiter L1, L2 und L3 des Zweigstrangs 6 an
den entsprechenden Motorklemmen des Elektromotors 1 mit
angeklemmt.
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Der
Umrichter 3 ist zwischen die Motorstromleitung 4 und
ein ebenfalls dreiphasiges Stromnetz 7 mit Phasenleitern
N1, N2 und N3 geschaltet und dient zur Umrichtung der im Stromnetz 7 geführten Netzspannung
Un in eine dreiphasige Motorspannung Um, die der Umrichter 3 ausgangsseitig
zur Versorgung der Elektromotoren 1 und 2 in die
Motorstromleitung 4 einspeist.
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Bei
der Netzspannung Un handelt es sich um eine sinusförmige Drehspannung
herkömmlicher Charakteristik,
also insbesondere einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannungsamplitude
von 230 Volt pro Phase gegen Masse. Die Motorspannung Um wird von
dem Umrichter 3 als Summenspannung einer Primärspannung
Up sowie einer Sekundärspannung
Us erzeugt: {Um(t)}i =
{Up(t)}i + {Us(t)}i GLG 1
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Bei
der Primärspannung
Up und der Sekundärspannung
handelt es sich hierbei jeweils um eine sinoidale, dreiphasige Drehspannung.
In GLG 1 sind die Motorspannung Um, die Primärspannung Up und die Sekundärspannung
Us entsprechend jeweils als Funktion der Zeit,...(t), und als Einzelphasensignal, {...}i mit i = {1,2,3}, dargestellt.
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Die
Primärspannung
Up wird von dem Umrichter 3 mit einer variablen Frequenz
zwischen z. B. 0 und 50 Hz und einer variablen Spannungsamplitude
von z. B. 0 bis 325 Volt pro Phase gegen Masse erzeugt. Die Sekundärspannung
Us wird von dem Umrichter 3 mit wesentlich höherer Frequenz
und kleinerer Amplitude, z. B. einer festen Frequenz von 500 Hz
und einer variablen Spannungsamplitude von 0 bis 20 Volt pro Phase
gegen Masse, erzeugt. Die Primärspannung
Up bildet somit quasi eine Grundschwingung der Motorspannung Um,
auf die die hochfrequente Sekundärspannung
Us phasenweise aufmoduliert ist. Die Sekundärspannung Us ist des Weiteren
derart hochfrequent dimensioniert, dass sie das Betriebsverhalten
des Elektromotors 1 aufgrund der mechanischen und induktiven
Trägheit
dieses Elektromotors 1 nicht merklich beeinflusst.
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Für die in
dem Phasenleiter L1 der Motorstromleitung 4 geführte Phase
ist der zeitliche Verlauf der Motorspannung Um, wie er von dem Umrichter 3 erzeugt
wird, schematisch in einem Inset-Diagramm D1 dargestellt.
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Im
Zweigstrang 6 der Motorstromleitung 4 ist ein
(Hochpass-)Filter 8 angeordnet. Dieser Hochpassfilter 8 besteht
in der Ausführung
gemäß 1 aus
drei Sperrkondensatoren 9, von denen jeweils einer in jeden
der Phasenleiter L1 bis L3 des Zweigstrangs 6 geschaltet
ist. Der Zweigstrang 6 ist somit kapazitiv an den Hauptstrang 5 der
Motorstromleitung 4 angebunden.
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Durch
den Hochpassfilter 8 wird gezielt ein hochfrequenter Spannungsanteil
Us', der zumindest im
Wesentlichen der Sekundärspannung
Us entspricht, aus dem Hauptstrang 5 der Motorstromleitung 4 ausgekoppelt
und selektiv dem Motor 2 zugeführt. Der zeitliche Verlauf
dieses Spannungsanteils Us' ist
schematisch für
den Phasenleiter L1 in einem Inset-Diagramm D2 dargestellt. Ein
entsprechend geglätteter
(Rest-)Spannungsanteil Up' wird über den Hauptstrang 5 dem
Elektromotor 1 zugeführt.
Dieser Spannungsanteil Up' entspricht
zumindest im Wesentlichen der Primärspannung Up. Der zeitliche
Verlauf dieses Spannungsanteils Up' ist – wiederum für den Phasenleiter
L1 – schematisch
in einem dritten Inset-Diagramm D3 dargestellt.
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Der
Spannungsverlauf in den übrigen
Phasenleitern L2 und L3 der Motorstromleitung 4 gleicht dem
anhand der Inset-Diagramme D1 bis D3 dargestellten Spannungsverlauf
in dem Phasenleiter L1, und ist gegenüber diesem aber um einen Phasenwinkel
von 120° bzw.
240° zeitlich
verschoben. Die an den einzelnen Phasenleitern L1, L2 und L3 anliegenden
Spannungsbeträge
addieren sich an jedem Punkt der Motorstromleitung 4 und
zu jedem Zeitpunkt stets zu Null.
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Der
Hochpassfilter 8, der Umrichter 3 und die diese
Komponenten mit den Elektromotoren 1 und 2 verbindende
Motorstromleitung 4 bilden zusammen eine Vorrichtung 10,
mit der die beiden Elektromotoren 1 und 2 unabhängig voneinander
elektrisch versorgt werden können.
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Eine
zweite Variante der Vorrichtung 10 ist in 2 dargestellt.
Diese zweite Vorrichtungsvariante entspricht im Wesentlichen der
vorstehend beschriebenen ersten Vorrichtungsvariante. Abweichend
davon ist aber der einfache, kapazitive Hochpassfilter 8 gemäß 2 durch
einen Kleinumrichter 11 ersetzt, der durch eine integrierte
Schaltung gebildet ist.
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Auch
hinsichtlich ihrer Funktion entspricht die Vorrichtungsvariante
gemäß 2 – soweit
nicht anders beschrieben – der
Vorrichtungsvariante gemäß 1.
Insbesondere wird auch hier durch den Umrichter 3 die aus
der Primärspannung
Up und der Sekundärspannung
Us gebildete Motorspannung Um in gleicher Weise erzeugt und in die
Motorstromleitung 4 eingespeist. Der Kleinumrichter 11 wirkt auch
analog zu dem Filter 8 als Hochpassfilter, indem er selektiv
den im Wesentlichen der Sekundärspannung
Us entsprechenden hochfrequenten Spannungsanteil Us' aus dem Hauptstrang 5 der
Motorstromleitung 4 auskoppelt.
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Abweichend
von 1 richtet der Kleinumrichter 11 diesen
Spannungsanteil Us' aber
in eine modifizierte Motorspannung Um' um, die der Kleinumrichter 11 dem
Elektromotor 2 zuführt.
Bei der modifizierten Motorspannung Um' handelt es sich ebenfalls um ein dreiphasiges,
elektrisches Drehspannungssignal. Die Frequenz und Spannungsamplitude der
Motorspannung Um' kann
durch entsprechende Ansteuerung des Kleinumrichters 11 unabhängig von der
Primärspannung
Up oder der Sekundärspannung Us
in einem Bereich zwischen z. B. 0 Hz und 600 Hz bzw. zwischen 0
und 20 Volt pro Phase gegen Masse, variiert werden.
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Zwischen
dem Umrichter 3 und dem Kleinumrichter 11 ist
optional die Möglichkeit
einer Signalübertragung über die
Motorstromleitung 4 vorgesehen. In einer entsprechenden
Vorrichtungsvariante ist in den Umrichter 3 eine (nicht
explizit dargestellte) Signalerzeugungseinheit, und in dem Kleinumrichter 11 eine
(ebenfalls nicht explizit dargestellte) Signalempfangseinheit integriert.
Die Signalerzeugungseinheit, die insbesondere durch den mit entsprechender
Steuersoftware versehenen Umrichter 3 selbst gebildet ist,
erzeugt zur Signalübertragung
eine – insbesondere
gepulste – Tertiärspannung,
die der Motorspannung Um überlagert
wird. Die Tertiärspannung
wird mit einer Frequenz erzeugt, die sowohl die Frequenz der Primärspannung
Up als auch die Frequenz der Sekundärspannung Us deutlich übersteigt. Beispielsweise
hat die Tertiärspannung
eine Frequenz von 5 kHz und eine Spannungsamplitude von 1 Volt.
Durch die in dem Kleinumrichter 11 implementierte Signalempfangseinheit
wird diese Tertiärspannung
frequenzselektiv erfasst und ausgelesen. Alternativ oder zusätzlich kann
auch eine von dem Kleinumrichter 11 an dem Umrichter 3 gerichtete
Signalübertragung
im Rahmen der Vorrichtung 10 vorgesehen sein.
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Bei
einer (nicht explizit dargestellten) weiteren Variante der Vorrichtung 10 ist
der Elektromotor 2 als Gleichstrommotor ausgebildet. Bei
der hieran angepassten Ausführung
der Vorrichtung 10 ist der Kleinumrichter 11 durch
einen Gleichrichter ersetzt, der ausgangsseitig zur Ausgabe einer
gleichgerichteten Motorspannung mit dem Elektromotor 2 verbunden ist.