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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Bremseinrichtung zum Bremsen des Läufers eines Elektromotors mit
mehreren Wicklungen in Sternschaltung, die an die mehreren Wicklungen
anschließbar ist,
wobei zum Bremsen die Stromversorgung des Elektromotors unterbrochen
wird.
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Für
Produktionsmaschinen und Werkzeuge mit Elektromotoren ist es vielfach
wünschenswert oder
aber auch gesetzlich vorgeschrieben, den Elektromotor innerhalb
einer bestimmten Zeit nach Abschalten zum Stillstand zu bringen.
Beispielsweise ist für
Antriebsmotoren gewisser Maschinen in der Holzverarbeitungsindustrie
eine Bremszeit von 15 Sekunden bis zum völligen Stillstand des Motors
vorgeschrieben. In der Regel ist dies nur durch aktives Bremsen
des Motors mit Hilfe einer speziellen Bremseinrichtung möglich.
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Gemäß internem Stand der Technik
ist eine Motorsteuerung mit einer elektronischen Bremseinrichtung
bekannt. Wird der mit dieser Motorsteuerung ausgerüstete Elektromotor
mittels eines Austasters abgeschaltet, so wird dieser vom Dreiecksbetrieb
in den Sternbetrieb geschaltet. Ein entsprechender Sternschütz wird
eingeschaltet und ein Dreiecksschütz wird ausgeschaltet. Nach
einer kurzen Verzögerung
wird ein parametrierbarer Zündwinkel
auf den Bremsthyristor eingestellt. Die Größe der Bremskraft kann durch
das Verstellen des Zündwinkels
an den jeweiligen Motor angepasst werden. Die Stillstandserkennung
wird von der im drehenden Motor induzierten Spannung abgeleitet.
Die maximale Bremsdauer ist auf etwa 15 Sekunden begrenzt. Nach
dieser Zeit wird der Bremsvorgang auf jeden Fall beendet, damit
der Motor vor Überlastung
geschützt
wird.
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Eine herkömmliche Bremseinrichtung besitzt einen
relativ komplizierten Aufbau mit einer Schütz-Thyristor-Diodenschaltung.
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Diese muss aufgrund ihrer Größe in einem separaten
Schaltschrank für
den Elektromotor untergebracht werden.
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Aus der Druckschrift
DE 41 06 331 C2 ist eine
Vorrichtung zum Abbremsen einer umlaufenden Walze bekannt. Dabei
wird als Antriebsmotor ein Asynchronmotor verwendet, dessen Ständerwicklung über eine
Umschalteinrichtung mit einer Wechselstromquelle und mit einer Einrichtung
zur Erzeugung von Gleichstrom in Verbindung steht. Die Umschalteinrichtung
kann von dem Anschluss des Antriebsmotors an die Wechselstromquelle
zu dem Anschluss des Antriebsmotors an die Einrichtung zur Erzeugung
von Gleichstrom umgeschaltet werden. Der erzeugte Gleichstrom wird
zum Bremsen des Antriebsmotors verwendet.
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Darüber hinaus ist in der Druckschrift
DE 34 41 096 A1 eine
gattungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betrieb eines gleichstromgebremsten Wechselstrommotors beschrieben.
Der gleichstromgebremste Wechselstrommotor ist im Treibbetrieb über erste
Kontakte eines über
eine Spule gesteuerten Schützes
an ein speisendes Netz angeschlossen. Im Bremsbetrieb ist der Wechselstrommotor über einen
zweiten, antivalent zu den ersten Kontakten des Schützes schaltenden
Kontakt in einen Gleichstrombremskreis gelegt, der einen von einer ersten
Zündeinrichtung
zündbaren
Bremsthyristor und eine Freilaufdiode aufweist. Zur lichtbogenfreien Umschaltung
vom Bremsbetrieb auf den Treibbetrieb des Wechselstrommotors ist
die Spule des Schützes in
Reihe mit einem Einschalt-Tastschalter, einem weiteren von einer
zweiten Zündeinrichtung
zündbaren Thyristor
und einer Diode geschaltet.
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Eine weitere Vorrichtung zum Bremsen
eines Asynchronmotors ist in dem Dokument WO 86/04753 dargestellt.
Zum Bremsen des Asynchronmotors wird ein Gleichstrom an die Wicklungen
gelegt. Um eine ausreichende Einschaltzeit des Bremsstroms zu erreichen,
wird der Wechselstrom an den äußeren Klemmen
von zwei in Serie geschalteten Wicklungen des Asynchronmotors, der
als Generator arbeitet, gleichgerichtet und an eine Spule eines
Bremsstromrelais geschickt, unmittelbar nachdem der Betriebsstrom
des Motors ausgeschaltet worden ist. Der in die Wicklungen eingespeiste
Gleichstrom hält
die Wechselspannung in den äußeren Klemmen
und einen Haltestrom in dem Relais aufrecht, bis die Motordrehung
beendet oder die Drehgeschwindigkeit des Motors auf einen vorbestimmten
Wert reduziert ist.
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In der Druckschrift
DE 35 33 802 A1 ist ebenfalls
eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Anlaufens und Abbremsens
von Drehstrom-Asynchronmotoren beschrieben. Dabei ist in den Motorstrom-Zuleitungen
jeder Phase eine Phasenanschnittsteuerung angeordnet. Jede Phasenanschnittsteuerung
besitzt wenigstens einen von einer Steuereinrichtung gesteuerten
Thyristor. Zur Erzielung einer elektronisch einleitbaren, definierten
Abbremsung ist vorgesehen, dass zwischen den Motorstrom-Zuleitungen
zweier Phasen nach wenigstens einer Phasenabschnittssteuerung eine
Verbindungsleitung angeordnet ist, in welcher ein schaltbares Halbleiterbauelement
mit Gleichrichterwirkung angeordnet ist.
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Schließlich ist aus der Druckschrift
US 5,424,622 ein Verfahren
zum dynamischen Bremsen eines Motors bekannt, wobei der Motor eine
Vielzahl von Anschlüssen
besitzt und an ihn eine Wechselspannung angelegt ist, deren Nulldurchgänge detektiert
werden. Abhängig
von der Wellenform werden bei Übereinstimmung
mit Referenzwerten an entsprechenden Positionen Flags gesetzt. Wenn
die Flags für
jede einer Vielzahl von Positionen gesetzt sind, wird ein Bremspuls
an den Wechselstrommotor abgegeben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht somit darin, eine Bremseinrichtung mit einem weniger komplexen
Aufbau bzw. einen entsprechenden Elektromotor mit der Bremseinrichtung
vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
eine Bremseinrichtung zum Bremsen des Läufers eines Elektromotors mit
mehreren Wicklungen in Sternschaltung, die an die mehreren Wicklungen
anschließbar
ist, wobei zum Bremsen die Stromversorgung des Elektromotors unterbrochen
wird, wobei die Bremseinrichtung ein erstes Halbleiterschaltelement, das
mit einer ersten der mehreren Wicklungen verbindbar und mit dem
ein über
eine Stromversorgungsklemme von einer externen Quelle eingespeister
Bremsstrom in die erste und eine zweite der mehreren Wicklungen
einspeisbar ist, und ein zweites Halbleiterschaltelement, das ebenfalls
mit der ersten und zweiten der mehreren Wicklungen verbindbar und über das
der Bremsstrom in Fall des Abschaltens eines Bremsvorgangs zumindest
teilweise ableitbar ist, aufweist.
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Die erfindungsgemäße Steuerschaltung mittels
der Halbleiterschaltelemente erübrigt
eine voluminöse
Schützsteuerung
gemäß dem Stand
der Technik. Damit ist beim Einsatz einer Gruppe von Motoren ein
dezentraler Einbau in jeden Motor möglich und ein Platzbedarf in
dem Schaltschrank besteht für
die Bremseinrichtung nicht.
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Vorzugsweise umfasst das erste und
zweite Halbleiterbauelement jeweils einen Thyristor, einen IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor) oder einen anderen Transistor.
Der Thyristor ist überlastfester und
mit sehr hohen Strömen
beaufschlagbar. Demgegenüber
ist der IGBT in seinem Schaltverhalten schneller, ist einfach ansteuerbar
und weist ein gutes Durchlassverhalten für das Schalten hoher Bremsströme auf.
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Der Elektromotor mit der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
kann als Drei-Phasen-Motor und insbesondere als Asynchronmotor ausgestaltet sein.
Am günstigsten
lässt sich
die Bremseinrichtung bei einem Drei-Phasen-Asynchronmotor mit Sternschaltung
realisieren, wobei das Ende der ersten Wicklung, das nicht an das
erste Halbleiterschaltelement angeschlossen ist mit dem Ende der
zweiten Wicklung, das nicht an das zwei te Halbleiterschaltelement
angeschlossen ist, verbunden ist und an dieser gemeinsamen Verbindung
auch die dritte Wicklung des Motors angeschlossen ist.
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Vorzugsweise ist das erste Halbleiterschaltungselement
zur Bereitstellung einer Bremsspannung fest mit einer der drei Phasen
einer Spannungsversorgung verbindbar. Damit wird die Bremseinrichtung
unabhängig
vom Schaltzustand des Motors mit Spannung versorgt.
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Erfindungsgemäß kann eine Steuereinrichtung
vorgesehen sein, mit der die beiden Halbleiterschaltelemente auf
der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Phasen am Motor
ansteuerbar sind. Damit kann festgestellt werden, ob der Motor abgeschaltet
ist und ein entsprechender Bremsvorgang eingeleitet werden muss.
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Zur Vermeidung von Überstromschäden kann
eine Messvorrichtung vorgesehen werden, mit der der Bremsstrom durch
das erste Halbleiterschaltelement überprüfbar ist. Günstigerweise besteht die Messeinrichtung
aus einem Spannungsmesser, der die Kollektor-Emitter-Spannung an
dem ersten IGBT misst und das Ergebnis der Steuereinrichtung zur Verfügung stellt.
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Vorteilhafterweise kann die Steuervorrichtung
den optimalen Bremsstrom erlernen, so dass ein Stillstand des Läufers in
einer vorgegebenen Zeit erreicht wird und dabei ein vorgegebener
maximaler Bremsstrom nicht überschritten
wird.
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Durch die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung
kann somit die komplette Schützsteuerung
entfallen und ferner ist für
das Bereitstellen eines Bremskommandos auch keine Zusatzverdrahtung
erforderlich, da dieses direkt am Motor durch Messen der Motorspannung
erzeugt wird, so dass ein dezentraler Einbau der Bremsvorrichtung
in den Klemmenkasten des Motors möglich wird.
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Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
in denen zeigen:
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1 einen
Schaltplan der erfindungsgemäßen Motorsteuerung
mit Bremseinrichtung, die mit IGBTs bestückt ist; und
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2 einen
alternativen Schaltplan der erfindungsgemäßen Motorsteuerung einschließlich Bremseinrichtung,
die mit Thyristoren bestückt
ist.
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Die nachfolgend aufgeführten Ausführungsbeispiele
stellen lediglich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dar.
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Gemäß der 1 umfasst der Drei-Phasen-Motor 1 für jede Phase
eine Wicklung 2U, 2V und 2W. Die drei
Wicklungen 2U, 2V und 2W sind an ihren
Klemmen X, Y und Z sternförmig
zusammengeschaltet. An den gegenüberliegenden
Klemmen U, V und W der Wicklungen 2U, 2V und 2W sind
Stromversorgungsleitungen L1, L2 und L3 aus einem Schaltschrank 3 angeschlossen.
Ein Motor-EIN-Schütz 4 schaltet
die Versorgungsleitungen L1, L2 und L3 mit einem Standard-3-Phasen-Schalter
an die Klemmen U, V und W.
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Die Versorgungsleitung L3 ist mit
einer Klemme L3-D des EMG 5 fest verbunden. Der Motor-EIN-Schütz 4 wird
von dem Schaltschrank 3 angesteuert und ein Signal eines
elektronischen Motorbremsgeräts
(EMG) 5 wird hierfür
berücksichtigt.
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Das EMG 5 weist im Wesentlichen
ein Steuergerät 6 und
zwei IGBTs V2 und V3 auf. Der Kollektor des ersten IGBT V2 ist fest
mit der Stromversorgungsleitung L1 an einer Klemme L1-D verbunden, so
dass an ihm unabhängig
von der Schaltstellung des Motor-EIN-Schützes 4 ständig die
jeweilige Spannung anliegt. Zwischen dem Kollektor des ersten IGBT
V2 und der Versorgungsleitung L1 befindet sich eine Diode V1 in
Sperrrichtung. Der Emitter des ersten IGBT V2 ist mit der Motorklemme
V verbunden. Das Gate des ersten IGBT V2 wird über einen Treiber D1 von einem
Digitalausgang des Steuergeräts 6 angesteuert.
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Der zweite IGBT V3 ist ebenfalls
mit seinem Emitter an die Klemme V des Motors 1 angeschlossen.
Der Kollektor des zweiten IGBT V3 ist über eine Diode V4 in Sperrrichtung
mit der Klemme L3-D verbunden, an der stets die Spannung von der
Versorgungsleitung L3 anliegt. Auch das Gate des IGBT V3 wird über einen
Treiber D2 von dem Steuergerät 6 angesteuert.
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Eine Nulldurchgangsmesseinrichtung 7 misst
die Spannungsdifferenz an der Versorgungsleitung L3 und der ungeschalteten
Versorgungsleitung L1-D. Zur Potentialtrennung ist zwischen die
Nulldurchgangsmesseinrichtung 7 und die jeweiligen Versorgungsleitungen
L1 und L3 ein Transformator T1 geschaltet. Hierzu sind die Eingangsklemmen
des Transformators T1 an die Klemmen L1-D und L3 des EMG 5 angeschlossen,
wobei die Klemme L3 mit der Klemme W des Motors verbunden ist. Eine
Ausgangsklemme des Transformators T1 ist als Bezugspotential für die Nulldurchgangsmesseinrichtung 7 auf
Masse geschaltet. Letztere gibt an das Steuergerät 6 einen Digitalwert
aus.
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Der sekundärseitige Ausgang des Transformators
T1 dient auch als Energiequelle für eine parallel zu der Nulldurchgangsmesseinrichtung 7 geschaltete
Gleichrichtereinrichtung 8, die die jeweiligen Spannungen
für die
Elektronikversorgung, die Operationsverstärker und die IGBT-Treiber D1
und D2 erzeugt.
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Eine Spannungsmesseinrichtung 9 misst
die Spannung zwischen Kollektor und Emitter des ersten IGBT V2 und
liefert einen entsprechenden Analogwert an das Steuergerät 6.
Dieser analoge Spannungswert ist ein Maß für den Bremsstrom. Die Spannungsmesseinrichtung 9 ist
ebenfalls mit Masse verbunden.
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Ein Vergleicher 10 vergleicht,
ob die Differenz zwischen der Spannung an Klemme L1 und Klemme L2
größer als
ein vorgegebener Schwellwert ist und liefert ein entsprechendes
Digital signal an das Steuergerät 6.
Dieses Signal gibt Auskunft darüber, ob
der Motor 1 eingeschaltet ist oder nicht.
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Über
mehrere Kaltleiter 11, die im Motor 1 angeordnet
sind, kann eine Vergleichseinheit 12, die in dem EMG 5 untergebracht
ist, eine Übertemperatur
feststellen und ein entsprechendes Analogsignal an das Steuergerät 6 ausgeben.
Dieses veranlasst bei zu hohen Temperaturen eine Störungsmeldung. Gegebenenfalls
wird daraufhin ein Bremsvorgang abgebrochen.
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Ein Melderelais 13 verhindert
im Fall einer notwendigen Abbremsung, dass der Motor-EIN-Schütz 4 vom
Steuerschrank 3 aus eingeschaltet werden kann.
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Ein Störungsrelais 14, der
im Betriebsfall angezogen ist, fällt
im Störungsfall
ab, so dass entsprechende Störmeldungen
geschaltet werden können.
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Nachfolgend sei die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Motorbremse
näher erläutert. Während des
Betriebs liegt an den Klemmen U, V, W des Motors 1 und
damit auch an dem Bremsgerät 5 über die
Versorgungsleitungen L1, L2 und L3 Drehstrom (220–575 V AC)
an. In diesem Zustand läuft der
Motor.
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Zum Bremsen werden die Phasen L1,
L2 und L3 von dem Motor-EIN-Schütz 4 im
Schaltschrank 3 abgeschaltet. An den Klemmen L1-D und L3-D
des EMG 5 bleiben die Spannungen anliegen. Über die Spannungsmesseinrichtung 10,
die das Abschalten des Motors feststellt, wird dem Steuergerät 6 eine Anforderung
zum Bremsen gemeldet. Über
die Nulldurchgangserkennungseinrichtung 7 wird die Phasenlage
der Spannung L1-D/L3 festgestellt. Bei einer Phasenlage von ca.
170 Grad werden die IGBTs V2 und V3 eingeschaltet. Es fließt ein Bremsstrom.
Er verläuft
durch die Versorgungsleitung L1 zur Klemme L1-D, durch die Diode
V1, den IGBT V2, die Klemme V des Motors 1, die Wicklung 2V,
die Klemme Y, die Klemme Z, die Wicklung 2W, die Klemme
W und zurück
zur Versorgungsleitung L3 über
die Klemmen L3 und L3-D.
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Im Bremsbetrieb wird zuerst das Halbleiterelement
bzw. der IGBT V3 eingeschaltet. Daraufhin erfolgt erst die Zündung bzw.
das Anschalten des Halbleiterelements V2. Der Strom fließt kommend
von Klemme L1-D über
die Diode V1 und den IGBT V2 an die Klemme L2. Die Diode V4 sperrt
den Zweig des IGBT V3. Der Strom fließt weiter über die Motorwicklung 2V,
einen in 1 nicht dargestellten
Sternschütz
im Schaltschrank und die Motorwicklung 2W auf die Klemme
L3 bzw. L3-D. Sinkt die positive Halbwelle an den Klemmen L1-D und
L3-D oder wird negativ, so sperrt der IGBT V2 automatisch. Der zu
diesem Zeitpunkt auftretende Strom in den Motorwicklungen wird über den
IGBT V3 kurzgeschlossen und abgebaut. Bei der nächsten positiven Halbwelle
an den Klemmen L1-D und L3-D wird bei einem bestimmten Winkel der
IGBT V2 wieder eingeschaltet und der Strom beginnt erneut zu steigen.
Die Diode V4 sperrt wieder (im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird der Thyristor V6
wieder zu einer Diode in Sperrrichtung) und der Kreislauf beginnt
erneut.
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Während
des Bremsvorgangs wird durch die Spannungsmesseinrichtung 10 die
Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT V2 gemessen und darauf der Bremsstrom
durch den IGBT V2 grob auf seine erlaubten Grenzen überprüft. Bei
einer Phasenlage von ca. 190 Grad wird der IGBT V2 wieder abgeschaltet. Der
zweite IGBT V3 bleibt jedoch angeschaltet, so dass der Freilaufstrom
im Kreis: Klemme L2, Klemme V, Wicklung 2V, Klemme Y, Klemme
Z, Wicklung 2W, Klemme W, Klemme L3, Diode V4, IGBT V3
und zurück
zu Klemme L2 fließen
und sich abbauen kann.
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Bei der nächsten Sinusperiode wird der
erste IGBT V2 etwas früher,
z.B. bei 165 Grad, eingeschaltet. Mit Hilfe der Spannungsüberwachungseinrichtung 9 wird
stets darauf geachtet, dass der Bremsstrom seine erlaubten Grenzen
nicht überschreitet, d.h.
die Kollektor-Emitter-Spannung Uce an dem IGBT V2 nicht zu groß wird.
Dieses Vergrößern der Bremsdauer
wird fortgesetzt, bis entweder die Stromgrenze erreicht ist oder
bis der Ansteuerwinkel null Grad beträgt.
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Bei Erstinbetriebnahme "kennt" das Steuergerät 6 den
Motor 1 und seine zulässige
Stromgrenze noch nicht. Es kann diese Stromgrenze durch mehrere
Bremszyklen erlernen. Daher liegt die Stromgrenze bei Erstinbetriebnahme
bei ca. 30 % des Nennstroms. Somit wird von Anfang an ein sanftes
Bremsen gewährleistet.
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Aufgrund der Kurvenform der Gegenspannung
an der Klemme L1 wird der Motor 1 durch die Vergleichseinrichtung 10 auf
Stillstand überwacht. Sollte
der Stillstand vor einer Bremszeit von z.B. 15 Sekunden erreicht
werden, wird beim nächsten Bremsen
die Stromgrenze um ca. 10 % gesenkt. Ist es in den 15 Sekunden zu
keinem Stillstand gekommen, wird die Stromgrenze um ca. 10 % vergrößert. Der
ideale Wert der Stromgrenze bei dieser Bremszeit wird im Speicher
des Prozessors beziehungsweise Steuergeräts 6 hinterlegt und
für die
folgenden Bremsungen verwendet. Sollte es zu einer groben Abweichung
ohne Stillstand kommen, wird das Störungsrelais 14 abgeschaltet
und eine entsprechende Störungsmeldung
ausgegeben. Ebenso wird eine Störung
ausgegeben, wenn trotz entsprechenden Einschaltwinkels kein Bremsstrom
fließt.
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Während
der gesamten Bremsdauer ist das Bremsrelais 13 angesteuert.
Bei erreichtem Stillstand wird schließlich auch der zweite IGBT
V3 wieder gesperrt. Das Bremsrelais 13 wird daraufhin wieder
abgeschaltet.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform,
die in 2 dargestellt
ist, kann der IGBT V2 einschließlich
Diode V1 durch einen Thyristor V5 und der IGBT V3 einschließlich Diode
V4 durch einen zweiten Thyristor V6 ersetzt werden. Dies hat den
Vorteil, dass Thyristoren gegenüber
IGBTs überlastfester
sind. Allerdings sind sie in ihrem Schaltverhalten etwas langsamer, was
durch eine Kommutierungsdrossel, die zwischen den Thyristor V5 und
die Klemme L1-D geschaltet ist, kompensiert werden kann.
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Bezug nehmend auf 2 ist der Thyristor V5 zwischen die Klemmen
L1-D und L2 des EMG 5 geschaltet. Der zweite Thyristor
V6 hingegen ist zwischen die Klemmen L2 und L3 bzw. L3-D geschaltet. Die
Ansteuerung der beiden Thyristoren V5 und V6 erfolgt ebenfalls über die
Treiber D1 und D2.
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Für
die Messung des Stroms durch die Thyristoren V5 und V6 wird ein
Shunt 16 anstelle des Vergleichers 10 eingesetzt.
Der Shunt 16 greift an einem Widerstand 17, der
praktikablerweise durch eine Leiterbahn einer Leiterplatte realisiert
ist und zwischen dem Thyristor V5 bzw. V6 und der Klemme L2 liegt,
eine entsprechende Messspannung ab und liefert ein Maß für den Bremsstrom
analog an das Steuergerät 6.
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Die übrigen Komponenten der in 2 dargestellten Schaltung
entsprechen denen von 1, so
dass sich im Wesentlichen die gleiche Funktionsweise ergibt.
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Die oben geschilderten Bremseinrichtungen können sowohl
mit einem Drehstromnetz als auch mit einem Einphasen-Wechselstromnetz
betrieben werden. Im letzteren Fall wird ein Kondensator dazu verwendet,
um eine Phasendrehung zur Ansteuerung der drei Wicklungen des Motors 1 zu
gewährleisten.