DE19605037A1 - Antrieb mit einem drehzahlveränderbaren umrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen drehzahlveränderbaren umrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmotor.

Drehzahlveränderbare, umrichtergespeiste Drehstrom-Asynchronmotoren haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Sie werden z. B. als Pumpenantriebe, Lüfterantriebe, Drossel- und Stellerantriebe sowie Schieberantriebe eingesetzt. Die Motorentwicklungen sind bei derartigen Antrieben mit einem Frequenzumrichter verbunden, der vom Drehstromnetz gespeist wird. Der Frequenzumrichter kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das mit dem Motorgehäuse verbunden ist.

Drehzahlveränderliche, umrichtergespeiste Drehstrom-Asynchronmotoren können auch in Lageregelkreisen eingesetzt werden, bei denen Stellsignale für den Antrieb von Bewegungsachsen aus dem Soll-Istvergleich von Positionen abgeleitet werden. Die jeweils angetriebene Achse befindet sich dabei in gesteuertem Zustand. Lageregler erfordern Wegmeßsysteme zur Erfassung des Istwerts der Bewegungsachse.

Für genaue Lageregelaufgaben werden numerische Steuerungen eingesetzt. Die Lageregelungsaufgabe wird in einem NC-Kode, evtl. auch in einer höheren Sprache, formuliert und in die Steuerung eingegeben. Die Informationsverarbeitung erfolgt dabei digital. Numerische Steuerungen enthalten überwiegend mindestens einen Mikrorechner, der in Form einer oder mehrerer Baugruppen in einem Baugruppenträger angeordnet ist. Die elektronischen Schaltungen einschließlich des Prozessors oder mehrere Prozessoren werden mit niedrigen Betriebsspannungen im Baugruppenträger versorgt. Der Mikrorechner enthält z. B. eine Analogausgabe für Steuersignale, mit denen die Frequenz des dem Asynchronmotor vorgeschalteten Umrichters gesteuert wird. Mit der Achse des Asynchronmotors oder der von diesem angetriebenen Achse ist ein Istwertgeber, z. B. ein inkrementaler oder absolut arbeitender Wegsensor, verbunden, an den ein Eingang der Mikrorechnerbaugruppe angeschlossen ist.

Die Taktfrequenz, mit denen Mikrorechner arbeiten, sind relativ hoch. Infolgedessen kann es zur Abstrahlung störender elektromagnetischer Wellen kommen. Damit die zu der numerischen Steuerung gehörenden Bauteile keine Störungen bei anderen Geräten auslösen oder empfänglich für elektromagnetische Fremdeinflüsse sind, müssen aufwendige Maßnahmen für die Abschirmung auch in Bezug auf netzgebundene Störeinflüsse getroffen werden.

Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, einen für die Lagerregelung bestimmten Antrieb mit einem drehzahlveränderlichen, umrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmotor zu entwickeln, der kompakt aufgebaut ist, am Aufstellungsort mit geringem Verkabelungsaufwand angeschlossen werden kann und ohne großen Aufwand die EMV-Richtlinien erfüllt.

Das Problem wird bei einem drehzahlveränderlichen, umrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmotor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl ein Frequenzumrichter als auch eine Regel- und Steuerschaltung sowie ein digitaler, mit der Motorwelle verbundener Drehwinkelmeßwertgeber entweder in Gehäusen angeordnet sind, die mit dem Motorgehäuse gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt zu einer Einheit verbunden sind oder mit dem Asynchronmotor als Einheit in einem gemeinsamen abgeschirmten Gehäuse angeordnet sind, das gegen elektromagnetische Störungen abschirmt ist, und daß die Einheit mit einem Netzanschlußkabel und mit einem Kabel für den Anschluß an einen seriellen Bus verbunden ist. Diese Einheit bildet einen Integral-Servomotor, der vor Ort schnell und einfach aufgestellt und angeschlossen werden kann. Es wird kein zusätzlicher Raum in einem Steuerschrank oder einem Gehäuse für die Reglerbausteine benötigt. Der Aufwand für die Verkabelung ist minimal, da lediglich das Netzkabel und, falls eine Verbindung mit anderen Steuer- oder Überwachungsgeräten benötigt wird, die serielle Busverbindungen anzuschließen sind. Die Gehäuse sind leitend miteinander verbunden, so daß eine sehr gute Abschirmwirkung erzielt wird. Bei einer Störung kann die komplette Einheit schnell und einfach ausgetauscht werden. Insbesondere dann, wenn alle Komponenten der Einheit in einem geschlossenen, abgeschirmten Gehäuse angeordnet sind, aus dem das Anschlußende der Welle des Asynchronmotors herausragt und in das nur die beiden Kabel eingeführt sind, können durch die metallische Ausbildung des Gehäuses und dessen Erdung die Anforderungen der Richtlinie über elektromagnetische Verträglichkeit auf einfache Weise erfüllt werden. Die CE-Kennzeichnung läßt sich damit ohne besondere Schwierigkeiten erhalten.

Die Frequenzumrichter sind insbesondere ohne Trenntransformator unmittelbar an das Drehstromnetz angeschlossen. Hierdurch läßt sich die Einheit gewichtssparend ausbilden.

Vorzugsweise ist das Buskabel ein Lichtleiterkabel. Dieses Kabel erzeugt weder störende elektromagnetische Wellen noch werden die übertragenden Signale von derartigen Wellen gestört.

Die Reglerschaltung und der Frequnzumrichter sind zweckmäßigerweise in voneinander getrennten, abgeschirmten Gehäuseabschnitten angeordnet, wobei die Signale zwischen beiden galvanisch getrennt übertragen werden. Der Starkstrombereich ist hierbei vom Steuerbereich getrennt, der niedrige Betriebsspannung und niedrige Pegel für die logischen Signale aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile entnehmen lassen.

In der Zeichnung ist schematisch eine Einheit 1, ein sog. integraler Servomotor perspektivisch dargestellt. Die Einheit 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem sich mehrere unterschiedliche Bauelemente befinden. Das Gehäuse 2 ist quaderförmig dargestellt. Es kann aber auch eine andere Form aufweisen, die an die jeweiligen Gegebenheiten der vom Gehäuse 2 eingeschlossenen Bauelemente angepaßt ist.

Im unteren Teil des Gehäuses 2 befindet sich ein Drehstrom-Asynchronmotor 3, von dem schematisch der Rotor dargestellt ist, von dem ein Wellenstumpf 4 aus dem Gehäuse 2 herausragt. Der Wellenstumpf 4 wird mit einer angetriebenen Welle einer Arbeitsmaschine verbunden. Auf der dem Wellenstumpf 4 entgegengesetzten Rotorseite ist über eine Welle 5 ein Drehwinkelmeßwertgeber 6 am Rotor befestigt. Der Drehwinkelmeßwertgeber 6 ist als digitaler Meßwertgeber ausgebildet.

Im oberen Teil des Gehäuses 2 sind über dem Motor 3 zwei voneinander getrennte Abschnitte 7, 8 vorgesehen. Im Abschnitt 8 befindet sich ein Frequenzumrichter, der aus einer sich bekannten Schaltung mit Thyristoren oder Triac′s bestehen kann, die ohne Trenntransformator mittels eines Kabels 10 an einen Netzanschlußstecker gelegt sind. Bei dem Drehstromnetz handelt es sich vorwiegend um das 380/400 Volt Netz.

Im Abschnitt 7 befindet sich eine Steuer- bzw. Regelschaltung 11. Die Einheit 1 bzw. der Integral-Servomotor umfaßt einen Lageregler, dessen Schwachstromkomponenten im Abschnitt 8 angeordnet sind. Die Steuer- bzw. Regelschaltung 11 enthält insbesondere einen Mikrorechner mit einem oder mehreren Prozessen, der digitale Informationen verarbeitet, d. h. die Soll-Istwertbildung digital ausführt. Zur Übertragung von Informationen von und zur Steuer- bzw. Regelschaltung ist ein Kabel 12 eines seriellen Busses vorgesehen, an den z. B. eine zentrale Einheit 13 angeschlossen ist, die auch die Lagesollwerte vorgibt. An den seriellen Bus können weitere Einheiten 1 angeschlossen sein, die nicht näher dargestellt sind.

Die Abschnitte 7, 8, die z. B. als modulare Gehäusekomponenten ausgebildet sein können, sind gegeneinander abgeschirmt.

Die Signalleitungen, die zur Übertragung von Steuersignalen zwischen der Steuer- bzw. Regelschaltung 11 und dem Frequenzumrichter 9 notwendig sind, haben galvanische Trennstellen, die z. B. als Optokoppler ausgebildet sind.

Die Wand des Gehäuses 2 ist so ausgebildet, daß elektromagnetische Störfelder nicht in einer die zulässige Grenze überschreitenden Stärke aus dem Gehäuse 2 austreten können. Weiterhin können auch elektromagnetische Fremdfelder nicht so stark in das Gehäuse eindringen, daß die einwandfreie Arbeitsweise der im Gehäuse 1 montierten Bauelemente beeinträchtigt wird.

Das Kabel 12 ist vorzugsweise ein Lichtleiterkabel, so daß keine elektromagnetischen Störungen vom Kabel 12 ausgehen bzw. von diesem ins Gehäuse 1 geleitet werden.

Der Frequenzumrichter 9 ist unmittelbar an die Reaktanzen der Motorwicklungen angepaßt, wodurch Störpegel wesentlich reduziert werden. Es ist deshalb nicht einmal ein abgeschirmtes Starkstromkabel notwendig, um die EMV-Richtlinien zu erfüllen. Weiterhin können auch die Netzfilter eingespart werden.

Auch im Hinblick auf den nicht notwendigen Netztransformator ergeben sich hierbei erhebliche Einsparungen. Die Einheit 1 ist leicht aufstellbar und an das Netz bzw. an den seriellen Bus anschließbar. Für Wartungszwecke oder bei Störungen läßt sich die komplette Einheit 1 schnell und leicht gegen eine andere auswechseln.

Die Abschnitte 7, 8 können als modulartige Bausteine realisiert sein, die z. B. steckbar und anschraubbar mit den unteren, dem Motor 3 enthaltenden modularen Baustein verbindbar sind. Auch in dieser Ausgestaltung bilden sie gemeinsam ein abgeschirmtes Gehäuse.

Der am Asynchronmotor 3 angebrachte Drehwinkelmeßwertgeber 6 wird vorzugsweise auch mit dem Frequenzumrichter 9 verbunden, um dessen Kommutierung mit den Signalen des Drehwinkelmeßwertgebers zu steuern. Der Drehwinkelmeßwertgeber wird hierdurch doppelt ausgenutzt, nämlich einerseits für den Lagerregelkreis und andererseits für die Kommutierung des Frequenzumrichters. Hierdurch läßt sich ein gesonderter Drehwinkelsensor für die Kommutierung einsparen.

Claims (5)

1. Antrieb mit einem drehzahlveränderbaren, umrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmotor, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl ein Frequenzumrichter (9) als auch eine Regel- und Steuerschaltung (11) sowie ein digitaler, mit der Motorwelle verbundener Drehwinkelmeßwertgeber (6) entweder in Gehäusen angeordnet sind, die mit dem Motorgehäuse gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt zu einer Einheit verbunden sind, oder mit dem Asynchronmotor (3) als Einheit (1) in einem gemeinsamen abgeschirmten Gehäuse (2) angeordnet sind, das gegen elektromagnetische Störungen abschirmt ist, und daß die Einheit mit einem Netzanschlußkabel (10) und mit einem Kabel (12) für den Anschluß an einen seriellen Bus verbunden ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter an die Wicklungsimpedanzen des Asynchronmotors (3) angepaßt und transformatorlos mit dem Drehstromnetz verbunden ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel- und Steuerschaltung (11) und der Frequenzumrichter in voneinander getrennten und voneinander abgeschirmten Abschnitten (7, 8) des Gehäuses (2) angeordnet sind und daß Signale zwischen der Regel- und Steuerschaltung (11) und dem Frequenzumrichter (9) galvanisch getrennt übertragen werden.

4. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (12) für den seriellen Bus ein Lichtleiterkabel ist.

5. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelmeßwertgeber (6) zur Drehfeldstellungsmessung für die Kommutierung mit dem Frequenzumrichter (9) verbunden ist, der den Asynchronmotor (3) speist.