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Anordnung zum synchronen Bremsen zweier oder mehrerer belasteter Schleifringläufermotoren
Die Verbindung von zwei oder mehrerenTriebwerken oder Arbeitsmaschinen kann außer
durch mechanische Kupplung auch durch die Anwendung der sogenannten »elektrischen
Ausgleichswelle« bewerkstelligt werden, wobei diese Art der Verbindung zweier oder
mehrerer Maschinen dann angewendet wird, wenn räumliche Umstände oder Gründe der
Wirtschaftlichkeit dies erfordern. Bei einer Ausführung der elektrischen Ausgleichswelle
werden als Übertragungsglieder für die Ausgleichsdrehmomente besondere Drehstromasynchronmaschinen
mit Schleifringläufern als Synchronisiermaschinen benutzt. Jeder Antriebsmotor ist
mit einer solchen Synchronisiermaschine mechanisch starr gekuppelt. Die Ständerwicklungen
aller Synchronisiermaschinen sind phasengleich an ein gemeinsames Netz angeschlossen;
ihre Schleifringe sind phasengleich miteinander verbunden. Derartig angeschlossene
und miteinander verbundene Asynchronmotoren arbeiten so zusammen, als ob sie durch
eine mechanische Welle starr verbunden wären. Bei gleicher Belastung der Triebwerke
wird die elektrische Welle nicht beansprucht, bei ungleicher Belastung überträgt
die elektrische Welle dieAusgleichsdrehmomente von der einen zur anderen Welle.
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Außer dieser sogenannten »elektrischen Ausgleichswelle mit zusätzlichen
Synchronisiermaschinen« ist auch die »vereinfachte elektrische Ausgleichswelle«
bekannt, bei der ebenfalls ein Gleichlauf der Maschinen erzielt werden kann. Bei
dieser Art der Verbindung übernehmen die Maschinen der elektrischen Welle, die wieder
als Asynchronmotoren mit Schleifringläufern ausgebildet sind, auch gleichzeitig
die Aufgabe der Antriebsmotoren zum Bewegen der Triebwerke. Zur Erzeugung des asynchronen
Motorenmomentes wird den Läuferwicklungen ein gemeinsamer Schlupfwiderstand parallel
geschaltet, der so bemessen sein muß, daß die Maschinen mit einem Schlupf von mindestens
25'°/o, d. h. mit höchstens 75 % ihrer Nenndrehzahl laufen. Bei kurzgeschlossenem
Widerstand wäre kein Ausgleichsdrehmoment vorhanden, und jede Maschine würde als
unabhängigerAsynchronmotor ohneGleichlaufzwang laufen. Um den zur Erzeugung eines
ausreichenden Ausgleichsdrehmomentes nötigen Schlupf zu erhalten, müssen die Maschinen
belastet sein. Die Anwendung der vereinfachten elektrischen Ausgleichswelle zur
Erzwingung des Gleichlaufes ist deshalb auf solche Antriebe beschränkt, die stets
und mit einem möglichst konstanten Lastmoment beansprucht sind und bei denen keine
großen Lastmomentunterschiede zwischen den einzelnen Triebwerken auftreten können.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser vereinfachten elektrischen Ausgleichswelle
im Betrieb ist darin zu erblicken, daß die Maschinen, insbesondere beim Bremsen,
leicht aus dem Gleichlauf gelangen und bei häufigerem Ein- und Ausschalten dann
starke Synchronisierungsstöße auftreten, die den Maschinen äußerst schädlich sind.
Wenn es auch an sich möglich ist, den synchronen Auslauf durch Öffnen des Sternpunktes
bei eingeschalteten Ständern zu erreichen, kann diese Möglichkeit im Betrieb praktisch
nicht angewendet werden, weil die Auslaufzeit bzw. der Auslaufweg in diesem Falle
lediglich von der aufgespeicherten kinetischen Energie, den Reibungs- und Lastverhältnissen
abhängig ist und daher in vielen Fällen untragbar lang oder je nach den Lastverhältnissen
in praktisch nicht brauchbaren Grenzen schwanken würde. Dieser Umstand, daß es bisher
nicht möglich war, die Auslaufzeit bzw. den Auslaufweg bei synchronem Auslauf in
der Praxis in brauchbaren Grenzen zu halten, hat zu vielen Unzulänglichkeiten geführt
und die Verwendung der vereinfachten elektrischen Welle eingeengt.
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In manchen Fällen, insbesondere beim Betrieb von Walzwerken und beim
synchronen Antrieb der Verschiebelineale ist aber die Anwendung von zusätzlichen
Synchronisiermaschinen aus konstruktiven Gründen nicht möglich, weil für die Aufstellung
kein Platz ist. Andererseits machte die Notwendigkeit des häufigen Ein- und Ausschaltens,
die mehrere hundertmal in der Stunde betragen kann, die erforderliche kurze Bremszeit
und die erheblichen Lastunterschiede die Verbindung der Antriebe mittels der vereinfachten
elektrischen
Ausgleichswelle zu einer schwierigen Aufgabe.
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Es ist eine Gleichlaufanordnung bekanntgeworden, bei der zwei asynchrone
Antriebsmotoren, deren Läuferschleifringe phasengleich untereinander nach Art der
vereinfachten elektrischen Ausgleichswelle verbunden sind und einen gemeinsamen
abschaltbaren Schlupfwiderstand haben und bei der beiden Triebwerken zur Abbremsung
innerhalb kurzer Zeit Bremslüftgeräte zugeordnet sind. Ein solches Bremslüftgerät
hat eine im Ruhezustand durch eine mechanische Kraft geschlossene Bremse, die durch
einen sogenannten Bremslüftmotor geöffnet werden kann. Die Bremslüftmotoren liegen
deshalb bei Vollauf der beiden Antriebsmotoren am Netz und werden beim Übergang
auf Bremsen von diesem abgeschaltet, so daß die Bremsen ausgelöst werden und sich
mit einem vorgegebenen konstanten Bremsdruck anlegen.
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In der Absicht, eine Gleichstellung der beiden Triebwerke im abgebremsten
Zustand zu erreichen, wird bei dieser bekannten Anordnung während der Bremsung der
gemeinsame Schlupfwiderstand abgeschaltet, damit die synchronisierende Kraft ihr
Maximum erreicht und während der Bremsung voll zur Wirkung kommen kann. Eine solche
Anordnung befriedigt aber in der Praxis nicht, weil eine Gleichstellung der beiden
Triebwerke im abgebremsten Zustand nur dann eintritt, wenn die Bremsen gleichzeitig
mit gleicher Bremskraft wirksam werden und wenn außerdem zu Beginn der Bremsung
eine Gleichstellung der Triebwerke vorhanden ist. Es ist aber wegen der unvermeidlichen
Herstellungstoleranzen praktisch kaum möglich, Bremsen mit völlig gleicher Abfallzeit
und Bremswirkung zu finden. Wenn aber eine Bremse früher zur Wirkung kommt als die
andere, so bleibt der zugeordnete :Motor gegenüber dem noch ungebremsten Motor zurück,
weil das synchronisierende Moment der Ausgleichswelle wegen der zu Beginn der Bremsung
vorhandenen hohen Motordrehzahl noch zu gering ist, um gleichzeitig eine Abbremsung
des anderen, noch freien Triebwerkes um den gleichen Betrag vornehmen zu können.
Dieses Triebwerk eilt daher besonders dann, wenn es stärker belastet ist als das
zuerst gebremste, um einen gewissen Betrag vor. Wenn dann auch die ihm zugeordnete
zweite Bremse einfällt, kann die Ausgleichswelle die eingetretene Verdrehung der
beiden Triebwerkwellen unter den mit voller Stärke eingefallenen Bremsen wegen deren
erheblich über dem Nennmoment der Antriebsmotoren liegender Bremsmomente und der
dadurch bedingten kurzen Bremszeit bis zum Stillstand nicht wieder ausgleichen.
Bei der bekannten Anordnung besteht daher keine Gewähr dafür, daß in allen Fällen
eine Gleichstellung der Triebwerke im Stillstand erreicht wird. Aus diesem Grunde
ist diese Anordnung des weiteren so ausgebildet, daß beim Wiedereinschalten der
Antriebsmotoren die Bremsen nacheinander gelüftet werden, daher zunächst ein Motor
festgebremst bleibt und der andere die Möglichkeit hat, sich dazu phasengleich einzustellen.
Außerdem sind noch besondere zusätzliche Schaltmaßnahmen getroffen, um die ungünstige
Wirkung etwaiger Ungleichstellungen der beiden Motoren beim Anlassen aufzuheben.
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Ausgehend von der vorerwähnten Erkenntnis strebt die Erfindung eine
Verbesserung bekannter, durch eine elektrische Ausgleichswelle gekuppelter Trieb-,verke
an mit dem Ziel, solche zusätzlichen Sicherungsmittel zum synchronen Anfahren zu
vermeiden und bei kurzer Bremszeit einen synchronen Auslauf sicherzustellen, so
daß beim Anfahren keine sich auf Netz und Maschinen ungünstig auswirkende Synchronisierungsstöße
mehr auftreten können.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum synchronen Bremsen zweier
oder mehrerer mechanisch belasteter, mittels elektrischer Ausgleichswelle gekuppelter
asynchroner Schleifringläufermotoren, von denen jeder mit einem motorisch betätigten
Bremslüftgerät versehen ist, dessen Motor bei @"ollauf des Schleifringläufermotors
am Netz liegt und beim Bremsen von diesem getrennt wird unter gleichzeitigem Öffnen
des gemeinsamen Anlaßwiderstandes der Schleifringläufermotoren. Die Erfindung besteht
hierbei darin, daß beim Übergang auf Bremsen die Lüftkraft der Bremsen inAbhängigkeit
von derDrehzahl der asynchronen Schleifringläufermotoren gebracht wird, indem die
Motoren der Bremslüftgeräte über einen Transformator an den Läuferkreis der elektrischen
Ausgleichswelle angeschlossen werden.
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Auf diese Weise ist die Bremskraft bei höherer Motordrehzahl relativ
hoch und nimmt dann mit abnehmender Drehzahl ab. Damit tritt in demselben Maße,
wie das synchronisierende Moment der Ausgleichswelle mit abnehmender Drehzahl zunimmt,
eine Abnahme des einer Synchronisierung entgegenwirkenden Bremsmomentes ein. Diese
Abnahme des Bremsmomentes entspricht dem natürlichen Vorgang beim Bremsen, weil
auch die zu vernichtende kinetische Energie mit dem Quadrat der Geschwindigkeit
abnimmt. Man erreicht daher eine weiche Bremsung. und die im unteren Drehzahlbereich
vorhandenen großen synchronisierenden Momente stehen voll zum Stellungsausgleich
zur Verfügung, so daß die Motoren in Synchronstellung zum Stillstand kommen.
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Es ist zwar schon bekannt, den Bremslüftmotor mit veränderlicher Frequenz
bzw. Geschwindigkeit zu betreiben und damit die Lüftkraft für die Bremse zu verändern.
Bei einer dieser bekannten Ausführungen ist der Bremslüftmotor über einen fremdangetriebenen
asynchronen Frequenzwandler an die Schleifringe des Antriebsmotors angeschlossen,
so daß er beim Anfahren, solange er noch stillsteht, lediglich als Transformator
wirkt und somit der Bremslüftmotor mit der Schlupffrequenz des Antriebsmotors gespeist
wird. Bei den bekannten Anordnungen dieser Art handelt es sich aber nur darum, für
den einzelnen Motor eine bestimmte Drehzahlcharakteristik zu erhalten, und nicht
um durch eine elektrische Ausgleichswelle miteinander gekuppelte Motoren, die synchron
abgebremst werden sollen.
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Die Fig. 1 und 2 erläutern in beispielsweisen Ausführungsformen die
erfindungsgemäße Verbindung bei vereinfachter elektrischer Welle und bei Verwendung
von zusätzlichen Synchronisiermaschinen.
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Die Antriebsmotoren der Triebwerke @I7bV1 . . . 1T Lv2 (Fig. 1) liegen
ständerseitig an einem gemeinsamen Netz RST. die Schleifringanker sind phasengleich
miteinander verbunden und können über den Transformator Tr, der die Aufgabe hat,
die Rotorspannungen den Bremslüftmotoren L1, L2 anzupassen, mit diesen verbunden
werden.
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Die Bremslüftgeräte werden vorzugsweise von Drehstromkurzschlußläufermotoren
betätigt. Diese Motoren L1, L2 können wahlweise mittels des Schalters S1 ans Netz
oder mittels des Schalters S2 über den Transformator Tr an die Rotoren der Antriebsmotoren
gelegt werden. Während des Vollaufes liegen die Bremslüftmotoren am Netz, haben
daher ihre maximale Drehzahl und daher auch die maximale Lüftkraft. Die Einstellung
der Bremsfedern erfolgt derart, daß bei voller Drehzahl der Bremslüftmotoren
die
Lüftkraft größer ist als die Schließkraft der Bremse. Verringert sich die Drehzahl
eines Bremslüftmotors, sinkt die Lüftkraft, und zwar umso mehr, je langsamer der
Bremslüftmotor läuft. Sinkt die Lüftkraft unter die Schließkraft der Bremse, beginnen
die Backen einzuschleifen. Die aus Schließkraft und Lüftkraft resultierende Bremskraft
wächst an, wenn die Lüftkraft sinkt, sie vermindert sich, wenn die Drehzahl des
Bremslüftmotors und damit die Luftkraft steigt.
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Wenn die Triebwerke stillgelegt, d. h. abgebremst werden sollen, werden
die untereinander elektrisch verbundenen Bremslüftmotoren vom Netz abgeschaltet
und über den Transformator Ti- mit den Rotoren der Antriebsmotoren verbunden und
deren Schlupfwiderstand mittels des Schützes S, abgeschaltet. Die noch mit voller
Drehzahl laufenden Schleifringanker liefern eine im Vergleich zur Netzfrequenz geringe
Schlupffrequenz, setzen daher die Drehzahl der Bremslüftmotoren herab, und die Bremsen
beginnen einzuschleifen. Infolgedessen sinkt die Drehzahl der Antriebsmotoren ab,
die Frequenz in den Bremslüftmotoren steigt entsprechend an, wodurch gleichzeitig
der Bremsdruck nachläßt. Auf diese Weise gelingt es, die elektrisch gekuppelten
Motoren samt allen Schwungmassen der bewegten Teile unter der Wirkung eines synchronisierenden
Momentes von der jeweiligen Betriebsdrehzahl auf die Drehzahl Null in einer vorher
festsetzbaren Zeit vollkommen sicher und weich abzubremsen, wobei die Wirkung der
Bremsorgane automatisch der jeweilig zu bremsenden Betriebsdrehzahl angepaßt ist.
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Der synchrone Auslauf kann gegenüber der bekannten Methode trotz der
ständig vorhandenen Differenzen in den Reibungsverhältnissen, ja sogar bei beachtlichen
Lastunterschieden erreicht werden.
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Als Bremslüftgeräte kommen an sich bekannte Ausführungsformen, die
beispielsweise durch Drehstrommotoren betätigt werden, z. B. Fliehkraftlüfter oder
ein elektrohydraulisches Hubzeug, in Frage. Ein elektrohydraulisches Hubzeug, das
für weiche Bremsung vorzuziehen ist, besteht aus einer durch einen kleinen Motor
angetriebenen F lügelradpumpe, die in einen kleinen Kolben eingebaut ist. Das Flügelrad
befördert das Öl von der Oberseite des Kolbens nach der Unterseite und erzeugt dort
einen Überdruck, der den Kolben gegen die Wirkung der Bremsfeder nach oben bewegt.
Die Bewegung wird durch Druckstangen auf ein Joch und zum Bremsgestänge übertragen.
Bei voller Drehzahl des Motors wird der volle Öldruck aufrechterhalten und die Bremse
gelüftet. Wird die Drehzahl des Motors herabgesetzt, sinkt der Kolben der Ölpumpe,
die Bremsen schleifen ein, und durch die Öldämpfung werden Stöße vermieden.
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Die beschriebene erfindungsgemäße Bremssteuerung wurde in erster Linie
für die Verbindung von Triebwerken entwickelt, welche mittels der vereinfachten
elektrischen Ausgleichswelle verbunden sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das
Verfahren mit Vorteil auch bei der elektrischen Ausgleichswelle mit zusätzlichen
Synchronisiermaschinen anwendbar ist, und zwar insbesondere dann, wenn ebenfalls
eine kurze Bremszeit und häufiges Ein- und Ausschalten verlangt wird. Obwohl nämlich
bei dieser Art der Verbindung unter normalen Betriebsbedingungen die Gefahr, daß
die Triebwerke aus dem Gleichlauf kommen, nicht besteht, würden hei der üblichen
Bremsung mittels ungesteuerter Magnetbremslüfter oder anderer Bremsorgane so starke
Stöße auftreten, daß die Maschinen zu stark beansprucht wären und gegebenenfalls
schließlich aus dem Gleichlauf kämen. Fig. 2 zeigt eine solche Bremssteuerung, wobei
Ml, 11T2 die Motoren und W1, W2 die beiden Synchronisiermaschinen sind.