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Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1142 651), einen über Schaltmittel
betriebenen Drehstrominduktionsmotor mit Bremsgliedern zur dynamischen elektrischen
Bremsung auszurüsten, die dem Motor einen Bremsgleichstrom zuführen. Dabei sind
Sperrglieder vorgesehen, die eine Zuführung von Bremsgleichstrom verhindern, wenn.
Netzspannung angelegt ist.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine derartige Schaltungsanordnung
zur Gleichstrombremsung eines Drehstrominduktionsmotors zu verbessern, und zwar
in der Weise, daß bei abgeschalteter Netzspannung sowohl im Freilauf als auch während
des Stillstandes des Motors ein Bremsmoment aufrechterhalten wird.
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Die Erfindung soll bei einer derartigen Schaltungsanordnung darin
zu sehen sein, daß jeweils zwei Stränge der je in Stern geschalteten Ständer- und
Läuferwicklung des Motors parallel geschaltet sind, daß diese beiden Parallelschaltungen
mit den verbleibenden dritten Ständer- und Läuferwicklungssträngen in Reihe geschaltet
sind und daß diese Reihenschaltung über Steuerglieder mit einer Gleichstromquelle
verbunden ist.
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Zweckmäßig werden als Steuerglieder in bekannter Weise Siliziumgleichrichter
verwendet, die nur bei abgeschalteter Netzspannung in den leitenden Zustand steuerbar
sind. Weiterhin ist es zweckmäßig, die Rotorwicklungsstränge an im Stern geschaltete
Widerstände anzuschließen und zwischen die im Falle der Bremsung parallel zu schaltenden
Ständer- bzw. Läuferspulen und die Gleichstromquelle bzw. den gesteuerten Siliziumgleichrichter
Dioden zu legen, die für den Bremsgleichstrom durchlässig sind.
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Schließlich kann die Schaltung so ausgebildet sein, daß die Schaltmittel
die der Zu- und Abschaltung der Netzspannung besonders einer Phasenvertauschung
dienen, durch je eine Primärwicklung eines Transformators derart überbrückt sind,
daß die Primärwicklungen dieser Transformatoren nur dann gespeist sind, wenn die
Stromzufuhr zum Motor über die jeweils zugehörigen Schaltmittel unterbrochen ist;
dabei sind dann die in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen dieser Transformatoren
an eine Gleichrichtergruppe angeschlossen, die den so gewonnenen Steuergleichstrom
dem Steuerkreis des steuerbaren Siliziumgleichrichters über eine Zenerdiode als
SchweIIwertbildner zuführt, so daß der Bremsgleichstrom nur dann fließt, wenn alle
Transformatoren erregt sind, d. h. die Stromzufuhr zum Motor über sämtliche Schaltmittel
unterbrochen ist.
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Die Erfindung wird besonders für Motorantriebe mit zwei Drehrichtungen
angewendet. Der Antrieb soll auch für rauhe Anwendungen in der Industrie und in
Kraftwerken brauchbar sein, wo lange Lebensdauer, geringe Pflege und hohe Zuverlässigkeit
verlangt werden.
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Solche Antriebe werden beispielsweise in Kraftwerken zur Steuerung
großer Ventile oder Dämpfungsglieder verwendet, wie sie bei der automatischen Kesselsteuerung
benutzt werden. Der Antrieb nach der Erfindung ist besonders geeignet für den Antrieb
über Getriebe, bei denen die Übersetzung und das betätigte Glied in der Lage sind,
den Motor rückwärts zu drehen, der deshalb mit einer Bremse ausgerüstet ist, um
diese Rückwärtsdrehung zu verhindern, wenn das Ventil oder ein anderes gesteuertes
Glied in einer bestimmten festen Stellung stehenbleiben sollen. Wenn die Steuerung
oft »Halt, Anfahren« und Wechsel der Drehrichtung des Motors verlangt, wie dies
bei den automatischen Servosystemen der Fall ist, sind mechanische Kontakte nicht
völlig zufriedenstellend, weil ihre Lebensdauer zu klein ist. Es ist deshalb wünschenswert,
mechanische Vorrichtungen in solchen Steueranlagen möglichst weitgehend durch ruhende
Halbleiter zu ersetzen, besonders da, wo die Umgebung Starkstrom führt.
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Die Erfindung hat deshalb den Vorteil, daß eine dynamische Bremsung
eines Elektromotors für große Leistung möglich ist, ohne daß mechanische Bremsen
erforderlich werden und mit dem weiteren Vorteil, daß auch der Antrieb ein Getriebe
besitzen kann, das den Motor an sich rückwärts zu drehen in der Lage ist. Die Bremsung
nach der Erfindung verhindert nämlich diesen Rücktrieb. Dadurch sind Motoren verhältnismäßig
kleiner Leistung möglich, außerdem wird die Zuverlässigkeit des Stellmotors und
des eingestellten Gliedes als Teil des gesamten Steuerkreises verbessert.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird sie nun unter Hinweis
auf die Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar F i g.1 ein Stromlaufschema der Erfindung,
F i g. 2 Kurven der Bremskräfte, die entsprechend der Erfindung erzielbar sind.
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Die Erfindung wird an einem Dreiphasenmotor 10
mit den Speiseleitungen
L 1, L 2 und L 3 und den Feldspulen 12, 14 und 16 beispielsweise erläutert.
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Die Feldspulen 12, 14 und 16 sind im Sternpunkt 38 und die Spulen
40, 42 und 44 des Rotors im Sternpunkt 46 miteinander verbunden. Die Feldspule 16
ist mit der Phase L 1 des Netzes fest verbunden, während entsprechend der Steuerung
durch den Umkehrsteuerkreis der Anschluß der Feldspulen 12 und 14 entweder an die
Phasen L 2 oder L 3 des Netzes erfolgt. Der gewickelte Rotor besitzt wie üblich,
fest im Sternpunkt miteinander verbundene Sekundärwiderstände R 3, R 4 und R 5.
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Die Gleichspannung für die Bremsung wird auf der Sekundärseite des
Transformators T9 entsprechend einem geeigneten Wickelverhältnis über die Dioden
D 14 und D 15 erzeugt. Die Sekundärwicklung des Transformators besitzt
Mittelanzapfung. Der Gleichstromkreis hat folgenden Verlauf: parallel über die Feldspulen
12 und 14 zum Sternpunkt 38, von dort über die Feldspule 16 zur äußersten Klemme
52 der Spule 44, von dort parallel über R 5 und R 4 zur äußeren Klemme 48 der Spule
42, über R 5 und R 3 zur äußeren Klemme 50 der Spule 40, über die Rotorspule 44
zum Sternpunkt 46, dann parallel über die Rotorspulen 42 und 40 an die Klemmen 48
und 50 dieser Spulen. Diese Klemmen 48 und 50 liegen an gleicher Spannung und der
Strom fließt von dort parallel über die Dioden D 9 und D 10 zum gesteuerten
Silicongleichrichter SCR 2, der als Schalter im Gleichstromkreis dient, und
von dort zur Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators T9.
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Dieser Gleichstrom erzeugt je ein Feld im Stator und Rotor des Motors.
Es handelt sich um stehende Felder, die je zwei magnetische Pole ausbilden entsprechend
der Anzahl der Polpaare, für die der Motor gewickelt ist, und zwar sind benachbarte
Pole von gegensinniger Polarität. Dadurch wird der Motor bei synchroner Drehzahl
gehalten. Ähnlich einem Wechselstromsynchronmotor wird vom Motor Drehmoment aufgenommen,
wenn entweder im oder gegen
den Uhrzeigersinn ein Schlupf entsteht.
Das Feld zwischen Stator und Rotor hat die Tendenz, die Mittelstellung des Motors
wieder herzustellen, so daß die »statische« Haltekraft entsteht.
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Das »dynamische« Bremsdrehmoment, das vom Motor bei freier Rotation
ohne Leistungsaufnahme und -abgabe ausgeübt wird, entsteht auf Grund des gleichen
Gleichstromerregerkreises. Dabei wirkt der Motor als Generator und ergänzt die Gleichstromabgabe
des Transformators, so daß der Motorstrom, der durch den Gleichstromkreis fließt,
ansteigt. Es sind also zwei Sspannungsquellen für die dynamische Bremsung vorhanden,
nämlich der Transformator T9 und die Wicklung des Rotors. In dem oben beschriebenen
Stromkreis fließen auch überlagerte Wechselströme. Zur dynamischen Bremsung muß
die dynamische, aus der Rotation sich ergebende Energie in Wärme umgesetzt werden.
Dies geschieht über folgende Stromkreise: In der Primärwicklung des Motors Spule
14 zum Sternpunkt 38, Spule 12 dann über die Gleichrichter D 12 und
D 13 zurück zur Spule 14 und in der Gegenrichtung durch Spule 12 zum Sternpunkt
38, durch Spule 14 und über die Dioden D 13 und D 12. In der Vorwärtsrichtung wird
die Diode 12 des Kreises gegensinnig durchflossen. Der Wechselstrom in diesem Kreis
wird durch die Sperrspannung von D 12 begrenzt. Durch die vorwärtige Sperrspannung
von D 13 ist auch sichergestellt, daß ein Wechselstrom in der Gegenrichtung über
die Diode 13 fließen kann.
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Der oben beschriebene Primärkreis nimmt einen nichtlinearen Widerstand
an, wenn die erzeugte Spannung einen Strom zur Folge hat, der die Gleichstromsperrspannung
übersteigt. Dann begrenzen nämlich die Gleichrichter D 13 und D 12
den Strom des Primärkreises auf ein Maximum. Dies ist wesentlich, weil es die Größe
des entmagnetisierenden Flusses begrenzt, der durch diesen Wirbelstromkreis erzeugt
wird, und der bei kleinen Stromwerten einen Gesamtwiderstand hat, der etwa gleich
dem der Primärwindungen 12 und 14 des Motors ist.
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Diese Begrenzung des Stromes durch die Dioden D 12 und
D 13 wird wirksam, wenn der Motor frei bei hohen Geschwindigkeiten läuft,
aber bildet einen verhältnismäßig geringen Widerstandskreis, wenn die Motordrehzahl
klein ist oder sich gar Null nähert. Um hohe Bremsdrehmomente bei niedrigen Motordrehzahlen
zu erreichen, müssen die Wirbelstromkreise einen kleinen Gesamtwiderstand haben,
weil die erzeugte Spannung klein und das Drehmoment dem Strom und der Feldstärke
proportional ist. Da der Rotor Gleichstrom führt, entsteht bei dessen Rotation eine
Spannung im Primärkreis des Motors. Da andererseits auch Gleichströme durch den
Primärkreis fließen, wird bei Rotation auch im Rotor eine Spannung erzeugt. Es ergeben
sich im Rotor des Motors verschiedene Wirbelstromkreise, die wie folgt verlaufen:
Von Klemme 48 über R 4 und R 3 zur Klemme 50, dann durch die Motorwicklungen 40
und 42 zurück zur Klemme 48; von der Klemme 48 durch R 4 und R 5 zur Klemme 52,
dann durch die Motorwicklungen 44 und 42 zurück zur Klemme 48; von der Klemme 52
über R 5 und R 3 zur Klemme 50, dann durch die Motorwicklungen 40 und 44 zurück
zur Klemme 52; von der Klemme 48 über die Diode D 10 und Diode
D 9 zur Klemme 50 und dann durch die Wicklungen 40 und 42 zurück zur Klemme
48. Dies sind die vier Hauptkreise, deren Ströme der Sekundärspannung des Motors
entsprechen. Nebenkreise führen immer über einen Teil der Hauptkreise. Einer der
Kreise mit den Dioden D 10 und D 9 hat auch eine nichtlineare Widerstandscharakteristik
in bezug auf die Primärwicklung des Motors. Die anderen Sekundärkreise verlaufen
über die Sekundärwiderstände R 3, R 4 oder R 5, so daß durch den verhältnismäßig
hohen Widerstand in den Wirbelstromkreisen die Entmagnetisierung begrenzt wird,
die durch den Wechselstrom bei hoher Motordrehzahl entsteht.
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Der Hauptkreis für den Wechselstrom ist mit dem oben beschriebenen
Gleichstromkreis identisch. Die in diesem Hauptkreis auftretende Sperrwirkung der
Gleichrichter D 9, D10, D12 und D13 erhöht die Gleichstromsperrwirkung
und damit die Motorerregung bei Umdrehung des Motors erheblich. Es ergibt sich eine
Gleichspannung von mehr als 200% der angelegten Spannung.
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Im Bremsstromkreis für den Motor liegt ein Kondensator C2, der die
Spitzenspannung für SCR2 begrenzt. Der Kondensator wird über den Widerstand R 6
entladen und die Diode .D 11 verhindert, daß ein hoher Entladestrom des Kondensators
C2 über SCR 2 fließt, wenn dieser Gleichrichter bei geladenem Kondensator
geschaltet wird.
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über die Leitung 54 wird SCR 2 geöffnet und der Gleichstrombremskreis
geschlossen. Die Leitung 54 bleibt ohne Spannung, wenn Spannung am Stromkreis des
Stators liegt. Wenn aber die Spannung des Drehstromnetzes nicht am Motor liegt,
erhält die Leitung 54 Spannung.
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Der Steuerkreis 54 enthält eine Spannungsquelle, die aus den Sekundärwicklungen
T 1-S 2, T2-S2, T3-52 und T4-52 besteht; diese Sekundärwicklungen
gehören zu Transformatoren, deren Primärwicklungen T 2-P, T 4-P, T 1-P und
T 3-P im Wendestromkreis des Stators liegen. Die von diesen Sekundärwicklungen
erzeugte Wechselspannung wird durch die Dioden D 17, D 18, D
19 und D 20 gleichgerichtet, die in einer Brücke liegen, deren
eine Seite mit der Kathode des Siliconsteuergleichrichters SCR 2 verbunden ist,
und zwar über die Zenerdiode D 16 und den Widerstand 8; die andere Seite der Brücke
liegt an der Durchlaß-Seite von SCR 2. Zwischen der Kathode der Zenerdiode D 16
und der anderen Brükkenseite liegt der Widerstand R 7. Die Zenerdiode
D16 besitzt eine untere Grenzspannung, unterhalb derer sie nicht leitend
ist, so daß alle vier Primärwicklungen der Transformatoren oberhalb der Grenzspannung
der Zenerdiode Strom führen müssen, um den Kreis 54 zur Wirkung zu bringen. Andernfalls
wird SCR 2 nicht geöffnet und es entsteht eine Sperre, die bewirkt, daß der Steuer-
und Wendekreis des Stators keine Leistung aufnehmen kann, bevor der Schalter SCR
2 geöffnet und damit der Gleichstrom-Bremsstromkreis eingeschaltet ist. Darüber
hinaus ergibt sich diese Gleichstromerregung automatisch, wenn durch den Steuerkreis
die Antriebsspannung vom Motor abgeschaltet wird.
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Die Transformatoren T 1, T 2, T 3 und T 4 sind je mit
einer Primär- und zwei Sekundärwicklungen versehen. Die Sekundärwicklungen sind
im Steuerkreis 54 dargestellt und tragen die Bezeichnungen TI-S2, T2-S2, T3-S2 und
T4-S2. Da es notwendig ist, daß alle diese vier erwähnten Sekundärwicklungen eine
induzierte Spannung führen, wenn die Primärwicklungen erregt werden und dadurch
die Zenerdiode
D 16 leitfähig zu machen, ist- klar, daß Netzspannung
an den Motor 10 nicht angelegt werden kann, bzw. abgeschaltet sein muß, bevor SCR
2 geöffnet werden kann und Gleichstrombremsspannung an den Motor gelegt wird. Diese
Sperre verhindert das gleichzeitige Anlegen von Antriebs- und Bremsspannung an den
Motor 10.
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Die Wirkung der Bremsspannung am Motor ist in F i g. 2 dargestellt,
aus der sich die dynamische Bremswirkung ergibt, die mit der Erfindung erzielt wird,
wenn man die entsprechenden Kurven mit den Freilaufkurven des Motors in jeder Drehrichtung
vergleicht.
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Die Speisung des Motors von der Stromquelle aus wird über einen elektronischen
Stromkreis gesteuert, der aus Bauelementen ohne bewegliche Teile besteht und der
aus zwei Schaltsystemen besteht, von denen das eine mit 18, das andere mit
20 bezeichnet ist. Dem System 18 sind Schalter 22 und 24, dem System 20 Schalter
26 und 28 zugeordnet. Alle diese den Index A, B, C oder D führenden
Schalter sind gleich, so daß nur der Schalter 26 mit Index A beschrieben wird. Ein
gesteuerter Siliziumgleichrichter SCR 1-A
liegt in der Diagonale einer
Brückenschaltung, die ihrerseits aus den Dioden D 1-A, D 2-A, D 3-A
und D 4-A besteht. Diese Brücke mit dem Gleichrichter SCR1-A verbindet also als
Schalter die PhaseL2 mit der Feldspule 14 des Motors. Der Kondensator
C 1-A dient als Spannungsbegrenzer für die übergangsspanung an SCR
1-A und den Dioden D 1 A,
D2-A, D 3 A und D4-A. über den Widerstand
R2-A wird der Kondensator Cl -A entladen und die Diode D 5-A
verhindert, daß hohe Entladungsströme über SCR 1-A dann fließen, wenn
dieser Schalter geöffnet hat und eine Spannung am Kondensator C 1-A
liegt.
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Ein Wendeanlasser in einem Drei-Phasennetz muß einen Steuerkreis besitzen,
der eine Sperre für Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Phasen enthält. Die Anordnung
ist hier so getroffen, daß eine- gleichzeitige Öffnung der Schalter SCR nicht eintreten
kann und durch gegenseitige Abhängigkeit dieser Schalter die Anordnung gegen einen
Kurzschluß gesichert ist.
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Im einzelnen besitzt also der Steuerkreis für jede der Schaltvorrichtungen
22, 24, 26 und 28 einen Widerstand R 1-A (für die Schaltvorrichtung 26), der den
Gleichrichter SCR 1-A zwischen Kathode und dem Steuerpunkt überbrückt. Die
Sekundärwicklung eines Transformators T 5-S liegt in einem Gleichrichternetzwerk
D 6-A und D 7-A, und zwar so, daß der Transformator
eine Mittenanzapfung hat und deshalb Gleichstrom zu SCR 1-A fließt und dieser geöffnet
wird, wenn die Sekundärwicklung des Transformators Spannung führt. Der Widerstand
R 1-A liegt in diesem Steuerkreis, um übergangsspannungen an einer Öffnung des Schalters
SCR 1-A zu verhindern; die Induktivität CH 1-A und die Diode D 8-A
liegen
im Steuerkreis um den pulsierenden Gleichstrom zu glätten und minimale Steuerströme
sicherzustellen.