DE2320023A1

DE2320023A1 - Anordnung zur drehzahlsteuerung oder -regelung eines mehrphasen-induktionsmotors

Info

Publication number: DE2320023A1
Application number: DE2320023A
Authority: DE
Inventors: Jose D Vergara
Original assignee: VERGARA
Current assignee: VERGARA
Priority date: 1972-10-25
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1974-05-09
Also published as: FR2204920B1; JPS49108518A; CA1002111A; GB1438538A; FR2204920A1; CH588186A5

Description

JOSE D. VERGARA Guadalajara / Mexiko

RAMON GALVAN Guadalajara / Mexiko

FAUSTO LEAL Guadalajara / Mexiko

Anordnung zur Drehzahlsteuerung oder -regelung eines Mehrphaseninduktionsmotor s

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung oder -regelung eines Mehrphasen-Induktionsmotors. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektronische Steuerschaltung zur Aenderung der Drehzahl eines Dreiphasen-Schleifringläufer-Motors über einen grossen Geschwindigkeitsbereich, welcher von einem Wert nahe Null bis zur Nenndrehzahl des Motors reichen kann.

Bisher ist es bekannt, die Drehzahl von Induktionsmotor en, insbesondere von Dreiphasen-Motoren mit Schleifringläufer, dadurch zu beeinflussen, dass in den Stromkreis des Läufers wahlweise äussere zusätzliche Widerstände eingeschaltet bzw. solche äusseren Widerstände kurzgeschlossen werden. Auf diese Weise wird die Grosse des jeweils fliessenden Induktionsstromes im Läuferkreis verändert, wobei jedoch entsprechend den zugeschalteten äusseren Widerständen eine mehr oder weniger grössere Verlustleistung in Form von Verlustwärme in Kauf genommen werden muss. Auch ist es bekannt, in Verbindung mit äusseren, beispielsweise parallel geschalteten Widerständen wenigstens eine sättigbare Drossel vorzusehen, wobei jedes dieser Elemente mittels eines Schaltkontaktes

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ORIGINAL INSFECTCD

wahlweise in. d&n Läuferkreis eingeschaltet werden kann, derart, dass wahlweise ein Teil der zugeführten elektrischen Energie in diesen Elementen, vernichtet wird.

Diese bekannten Massnahmen haben den Nachteil, dass eine mehr oder weniger grosse Verlustleistung in Kauf genommen werden muss. Auch ist der Drehzahlbereich, innerhalb dessen der Motor mit diesen bekannten Schaltungen steuerbar bzw, regelbar ist, verhältnismässig begrenzt und beginnt erst bei einem ziemlich hohen Wert, beispielsweise bei 200 Umdrehungen je Minute; ausgehend von dieser minimalen Drehzahl kann dann der Motor in Stufen von beispielsweise jeweils 100 Umdrehungen je Minute bis zur vollen Nenndrehzahl gesteuert werden. Bei diesen bekannten Schaltungen bleibt die im Luftspalt des Motors übertragene mechanische Leistung bei variierender Motor geschwindigkeit praktisch konstant, und ebenso wird der von der Speisequelle aufgenommene Strom konstant gehalten, während beispielsweise der Schlupf ansteigt; es ändert sich jeweils der in Verlustleistung umgewandelte Anteil des aufgenommenen Stromes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bekannter Schaltungen zu vermeiden und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher die durch Joule-schen Effekt erzeugte Verlustwärme unter allen Betriebsbedingungen auf einen^minimalen Wert gehalten wird. Gleichzeitig liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfach aufgebaute elektronische Schaltung zu schaffen, welche in raumsparender Weise am Motor montiert werden kann. Ausserdem soll durch die Vorrichtung nach der Erfindung erreicht werden, dass sich die Motordrehzahl über einen verhältnismässig grossen Bereich stetig steuern bzw, regeln lässt, wobei die minimale Drehzahl bei nur 5 % der Nenndrehzahl liegen kann.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass

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die Phasenwicklungen des Läufers paarweise über strom steuernde Elemente zur Bildung von Läufer-Kur ζ Schluss Stromkreis en verbunden sind und dass eine Steuerschaltung vorgesehen ist, welche durch die Spannung an wenigstens einer Läufer wicklung beeinflussbar ist und die erwähnten strom steuernden Elemente derart steuert, dass die Läuferphasenwicklungen zwecks Drehzahlsteuerung kurzgeschlossen werden.

Vorzugsweise sind die stromsteuernden Elemente Silizium-gesteuerte Gleichrichter, wobei jeweils zwei Läuferphasenwicklungen durch antiparallel geschaltete Silizium-ge steuerte Gleichrichter miteinander verbunden sind, welche so gesteuert werden, dass in Abhängigkeit von der momentanen Läufer stellung jeweils in einer bestimmten Richtung geschlossene Läufe rstrompfade gebildet werden,

Dadurch wird erreicht, dass ohne Verwendung von irgendwelchen äusseren Widerständen jeweils ausgewählte kurzgeschlossene, die Phasenwicklungen einschliessende Läuferkreise gebildet werden, in denen in Abhängigkeit von der Grosse der jeweils induzierten Spannung Ströme vorgebbarer Grosse fliessen können. Die Steuerung der Grosse dieser fliessenden Induktionsströme erfolgt nicht durch Beeinflussung der Stromwellen-Amplituden, sondern nach Art einer Phasenanschnitts steuerung, indem nämlich nur jeweils ein mehr oder weniger grosses" Anteil einer Stromhalbwelle geeigneter Polarität von den gesteuerten Gleichrichtern durchgelassen wird, welche erst beim Vorhandensein einer durch den angelegten Steuerstrom bestimmten Zündspannung in

/in
den leitenden Zustand schalten und diesem leitenden Zustand verbleiben, bis die Anoden-Kathoden-Spannung verschwindet.

Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläuter. Es zeigen:

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Fig. 1 ein grundsätzliches Schaltbild der Anordnung nach der

Erfindung zur Drehzahlsteuerung,

Fig. 2 eine erweiterte Ausftihrungsform der Erfindung zur

Regelung der Motor drehzahl, wobei die zur Steuerung der stromsteuernden Elemente erforderlichen Steuerströme von dem im Läufer induzierten Induktions strom abgeleitet werden,

Fig. 3 das Schaltbild der Steuerschaltung der Anordnung nach

Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Ausftihrungsform einer Anordnung zur Drehzahlsteuerung,

Fig. 5 das Schaltbild der Steuerschaltung in der Anordnung nach

Fig. 4,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Anordnung zur Drehzahlregelung, .

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform einer Anordnung zur Drehzahlregelung, ,

Fig. 8 die perspektivische Ansicht des Schleifringläufers eines

Dreiphasen-Induktionsmotors, der mit einer Schaltung vom Typ der in Fig. 6 dargestellten Schaltung ausgerüstet ist, und

Fig. 9-11 der Fig. 1 entsprechende Schaltbilder zur Veranschaulichung der Funktion der Anordnung nach der Erfindung.

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Nach Fig. 1 ist ein Dreiphasenmotor 10, welcher einen Schleifringläufer 12 mit im Stern geschalteten Wicklungen aufweist, an eine insgesamt mit 14 bezeichnete Regelschaltung angeschlossen. Die drei Klemmen 1, 2 und 3 der Läuferwicklungen sind mit in entsprechenden Leitungen 16,18 bzw. 20 verbunden.

Die im folgenden beschriebene Erfindung ist selbstverständlich ■ auch auf einen Läufer mit im Dreieck geschalteten Wicklungen oder auf andere mögliche Läuferarten anwendbar.

Die beiden Leitungen 16 und 18 sind zwischen den Punkten· 26 und 30 einerseits und den Punkten 28 und 32 andererseits mittels zweier antiparallel geschalteter elektronischer Elemente 22 und 24 miteinander verbunden, wobei das Element 22 mit seiner Anode an den Punkt 26 und mit seiner Kathode an den Punkt 30 angeschlossen ist, während das Element 24 mit seiner Kathode an den Punkt 28 und mit seiner Anode an den Punkt 32 angeschlossen ist. Die Leitungen 18 und 20 sind zwischen den Punkten 30 und 38 einerseits und den Punkten 32 und 40 andererseits ebenfalls durch zwei antiparallel geschaltete elektronische Elemente 34 und 36 miteinander verbunden, wobei das Element 34 mit seiner Kathode an den Punkt 30 und mit seiner Anode an den Punkt 38 und das andere Element 36 mit seiner Anode an den Punkt 32 und mit seiner Kathode an den Punkt 40 angeschlossen sind. Auf diese Weise sind durch die antiparallel geschalteten Elemente 22 und 24 die erste und die zweite Phasenleitung 16 und 18 und durch die Elemente 34 und 36 die zweite und die dritte Phasenleitung 18 und 20 derart miteinander verbunden, dass entsprechend geschlossene Stromkreise gebildet werden, die in der einen oder der anderen Richtung vom Strom durchflossen werden können.

Die Steuer elektroden oder Gitter der elektronischen Elemente 22, 24, 34 und 36 sind über Leitungen 42, 44,46 bzw. 48 mit den entsprechenden Schleifringen 50, 52, 54 bzw. 56 verbunden, welche innerhalb des nicht dargestellten Motorgehäuses angeordnet sind und in elektrischem Kontakt mit auf der nicht dargestellten Läuferwelle befindlichen Klem-

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men stehen. Die Schleifringe 50, 52, 54 und 56 sind ihrerseits mittels Leitungen an die Ausgangsklemmen 58,60,62 bzw« 64 einer Steuerschaltung 66 angeschlossen, die in Fig. 1 als Block dargestellt ist. Diese Steuerschaltung dient dazu, selektiv die Steuerelektroden der elektronischen Elemente 22,24,34 und 36 mit einer Vorspannung derart zu beaufschlagen, dass die gesteuerten Ströme in vorgebbaren Richtungen jeweils während genau gesteuerter Zeitspannen flies sen können.

Der Zweck der Steuerschaltung besteht darin, einen abgestuften Kurzschlussstromkreis der drei Läuferphasen herzustellen, so dass die vorher ausgewählten und genau kontrollierten Ströme in geeigneten Richtungen und zu geeigneten. Zeiten entsprechend der gewählten Steuerung durch die Hälbleiterelemente 22, 24, 34 und 36 fliessen können.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei die gleichen Teile bzw. Punkte bzw. Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, jedoch sind bei diesem Ausftthrungsbeispiel zusätzliche Schleifringe 68, 70 und 72 vorgesehen und elektrisch einerseits mit den entsprechenden drei Phasenleitungen an den Punkten 74 bzw, 76 bzw. 78 und andererseits mit den drei Klemmen 82 bzw, 80 bzw. 84 der Steuerschaltung 66 verbunden. Die elektronischen Elemente 22,24, 34 und 36 können vorzugsweise Thyristoren bzw. Silizium-ge steuerte Gleichrichter sein.

Der im Läufer 12 auftretende Strom ist ein Dreiphasenstrom und kann nicht direkt auf die Steuerelektroden der Festkörper-Gleichrichter gegeben werden, da diese vielmehr durch einen an ihre Steuerelektrode angelegten positiven Strom in den leitenden Zustand geschaltet werden müssen. Daher muss die Steuerschaltung 66 einen Doppelweggleichrichter enthalten, welcher die zur Steuerung der Gleichrich-

/LZ, 24, 34, 36
ter'erforderlichen positiven Gleichströme liefert.

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lh Fig. 3 ist ein Schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Steuerschaltung 66 nach Fig. 2 dargestellt. Diese Steuerschaltung weist sechs Gleichrichterdioden 86,88, 90, 92, 94 und 96, einen Wider stand 98 zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen den Kathoden und Anoden der den Gleichrichterkreis bildenden Dioden sowie ein Potentiometer 100 auf, mit welchem der infolge der Potentialdifferenz gebildete positive Strom eingestellt bzw. gesteuert wird. Der positive Strom wird über vier kleine Dioden 102,104,106 und 108 den Klemmen 58, 60, 62 bzw. 64 und damit gemäss Fig. 2 den Steuer elektroden der Gleichrichter 22, 24, 34 bzw. 36 zugeführt. Der erste Teil der Steuerschaltung 66 ist also ein Gleichrichter, welcher den in den Läuferwicklungen induzierten Dreiphasenstrom. , der über die Schleifringe 68, 70 und 72 sowie die erwähnten Klemmen 80, 82 und 84 zugeführt wird, gleich-richtet und einen geeigneten positiven Strom für die Steuerung der Gleichrichter 22,24,34 und 36 liefert. Anstelle eines Potentiometers 100 kann auch ein beliebiges anderes Element verwendet werden, dass dazu geeignet ist, den Steuerstrom zu verändern, beispielsweise ein Widerstand mit negativem oder positivem Widerstandskoeffizienten, eine elektronische Photozelle, eine Tunneldiode, eine Elektrode mit variierendem spezifischen Widerstand, eine magnetische Steuerschaltung mit einer Gleichrichterbrücke oder dergleichen.

Die kleinen Dioden 58, 60, 62 und 64 dienen dazu, eine Rückkopplung zur Steuerschaltung und damit eine mögliche Störung des durch das Potentiometer 100 zwischen den Punkten b und a gesteuerten Signals zu verhindern, "was eine Störung der Läufergeschwindigkeit zur Folge haben könnte. Der auf die Steuerelektroden der Elemente 22,24, 34 und 36 gegebene Strom ist ein Signal oder ein ständig angelegter Strom, so dass unabhängig von den Motorbetriebsbedingungen die Elemente 22,24,34 und 36 bereit sind, einen Strom durchzulassen; die Grosse des diese Elemente passierenden Stroms hängt im wesentlichen von den momentanen Motorbetriebsbedingungen ab, im wesentlichen von der mechanischen Belastung des Motors. Die Potential-

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differenz zwischen Anode und Kathode, also die Spannung zwischen den Elektroden der Elemente ändert sich daher entsprechend der Motor geschwindigkeit. Wenn unter bestimmten Bedingungen die Motorgeschwindigkeit abnimmt, dann steigt die Spannung zwischen den Elektroden, so dass ein grösserer oder kleinerer Strom in den Läuferwicklungen zwecks Veränderung der Läufergeschwindigkeit flies st.

Im Beispiel nach den Fig. 2 und 3 hat die Steuerschaltung 66 drei Eingangsklemmen 80, 82 und 84 und vier Ausgangsklemmen 58, 60, 62 und 64. Im Beispiel nach den Fig. 4 und 5 dagegen ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die drei Eingangsklemmen 56, 58 und 60 für den Läufer strom und nur eine Ausgangsklemme 62 für den Steuerstrom aufweist, wobei jedoch dieser Steuerstrom unterteilt und über je eine kleine Diode 102,104,106 bzw. 108 den Steuerelektroden der vier Elemente 22, 24, 34 bzw. 36 zugeführt wird. Sonst jedoch ist

,nach Fig. 5
die Steuer schaltung/ in gleicher Weise wie im Beispiel nach Fig. 3 aufgebaut und enthält einen Gleichrichter, welcher den im Läufer induzierten Dreiphasenstrom in der bereits beschriebenen Weise in einen positiven Gleichstrom zu Steuerung der Elemente 22, 24, 34 und umwandelt.

Im Beispiel nach Fig. 6 ist jede Phase 1, 2 bzw, 3 der Läuferwicklung mit einem jeweils einen silizium-gesteuerten Gleichrichter 110,114 bzw. 116 und eine Diode 112,118 bzw. 120 aufweisenden Kreis verbunden. So

/an

ist die Phase 1 an die Kathode des Elements 110 und die Anode der Diode 112 angeschlossen, während die Phasen 3 und 2 an die Kathoden der Elemente 114 bzw, 116 und an die Ano-den der Dioden 118 bzw. angeschlossen sind. Die Anoden der silizium-gesteuerten Gleichrichter und die Kathoden der Dioden sind alle mit einem gemeinsamen Punkt 122 verbunden, der seinerseits an den Schleifring 124 angeschlossen ist. Zwischen die Steuer elektroden der Elemente 110,114 bzw. und den Schleifring 132 sind Dioden 126,128 bzw. 130 geschaltet. Die beiden Schleifringe 124 und 132 sind über einen veränderbaren Wider-

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stand 134 miteinander verbunden. Bei diesem Widerstand 134 kann es sich um irgend ein bekanntes Element handeln, wie es im Zusammenhange mit dem Potentiometer 100 nach Fig. 3 erläutert wurde.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 lediglich dadurch, dass der Punkt 122 sowie die Anoden der Dioden 126,128 und 130 direkt mit den beiden Klemmen b und a eines lichtempfindlichen Widerstandes oder einer Photozelle 136 verbunden sind. Ih diesem Falle erfolgt die Drehzahlsteuerung des Motors durch einen auf den Widerstand bzw. die Photozelle 136 fallenden Lichtstrahl, durch welchen der Steiger strom der Elemente 110,114 bzw. 116 beeinflusst wird. Diese Ausführungsform, kann ohne Schleifringe arbeiten.

In Fig. 8 ist der Läufer 138 eines Dreiphasen-Schleifringmotors mit einer integrierten elektronischen Drehzahlkontrolls chaltung dargestellt. Die Welle 140 des Läufers ist in zwei nicht dargestellten Lagern in einem ebenfalls nicht dargestellten Motorgehäuse gelagert. Zwecks Kühlung des Motors ist auf der Welle 140 ein Lüfter 142 mit angeformten Lüfterblättern 144 befestigt. Auf dem Lüfter 142 sind drei siliziumgesteuerte Gleichrichter 146,148 und 150 sowie drei Dioden 152,154 und 156 montiert, wobei die Anoden der ersterwähnten Elemente und die Kathoden der Dioden elektrisch mit dem Lüfter 142 verbunden sind, welcher auf diese Weise die gemeinsame elektrische Verbindung bildet und entsprechend aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Die Kathode des Elements 146 ist mit der Anode der Diode 152 über eine Leitung 164 verbunden, während die Kathode des Elements 148 bzw. 150 über eine Leitung 160 bzw. 162 mit der Anode der Diode bzw. 156 verbunden ist. Die aus je einem siliziüm-gesteuerten Gleichrichter und einer Diode bestehenden Elementpaare sind an die drei Klemmen der Motorwicklungen über die Leitungen 164,166 und eine dritte, nicht dargestellte Leitung angeschlossen, welche durch die Oeffnungen 168,170 des Lüfters verlaufen. Die Steuerelektrode des

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Elements 146 ist mit der Diode 172, die Steuerelektrode des Elements 148 mit der· Diode 174 und die Steuerelektrode des Elements 150 mit einer nicht dargestellten Diode verbunden. Die letzten drei Dioden sind an ihren andei „n Seiten an eine gemeinsame Leitung 176 angeschlossen, die ihrerseits zum Schleifring 178 führt. Der andere Schleifring 180 ist über eine Leitung 182 mit dem Lüfter 142 verbunden, der dem Punkte 122 nach Fig. 6 entspriht.

Anzahl und Anordnung der elektronischen Elementekönnen, je nach dem Aufbau des Läufers und der besonderen Läufer schaltung, unterschiedlich sein, es ist lediglich erforderlich, dass eine geeignete Anzahl von elektronischen Elementen bzw. Stromkreisen zur Verfügung steht, mit denen wahlweise jede beliebige Phase der Läuferwicklung mit jeder der beiden anderen Phasen zur Bildung eines Kurzschluss-Stromkreises verbunden werden kann, durch welchen ein im Läufer induzierter Strom in der einen oder anderen Richtung gesteuert fliessen kann.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltungen nach der Erfindung basiert auf dem Umstand, dass in einem Dreiphasen-Induktionsmotor der im Läufer induzierte Strom der Läufergeschwindigkeit umgekehrt proportional ist, weil bei gegebener Drehzahl des Ständerdrehfeldes die im Läufer erzeugte Induktion umso kleiner bzw. grosser ist, je kleiner _uzw, grosser die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Stände rdrehfeld und der Läufer drehzahl ist. Jeder bestimmten Läuferdrehzahl entspricht daher eine bestimmte Stärke des induzierten Feldes, wobei diese Beziehung auch umgekehrt gut, dass nämlich die Drehzahl des Läufers von der Stärke des im Läufer fliessenden Induktionsstromes abhängt. Wenn daher der induzierte Strom im Läufer in geeigneter Weise gesteuert oder geregelt wird, lässt sich damit

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- 11 die Läufergeschwindigkeit steuern bzw. regeln.

Die S_c haltungen nach der Erfindung machen von den bekannten elektrischen Eigenschaften der Silizium-ge steuerten Gleichrichter oder Thyristoren Gebrauch. Silizium-gesteuerte Gleichrichter, abgekürzt auch SCR genannt, sind steuerbare Festkörper-Schaltelemente, die ganz ähnliche elektrische Eigenschaften haben wie gasgefüllte Thyratrons. Sie sind nur dann leite:..i, wenn die Anode relativ zur Kathode ein positives Potential aufweist. Bei Abwesenheit eines Steuersignals am Gitter bzw, der Steuerelektrode muss die Anoden-Kathoden-Spannung einetiverhältnismässig hohen Wert, die sog. Vorwärts-Zündspannung, erreichen, um das Element in den leitenden Zustand zu schalten. Diese Vorwärts - Zündspannung hängt von der Struktur bzw. vom Typ des verwendeten silizium-gesteuerten Gleichrichters ab. Wenn ein Steuersignal an das Gitter bzw. die Steuerelektrode gelegt wird derart, dass die Steuerelektrode gegenüber der Kathode ein positives Potential erhält und demzufolge ein positiver Zündstrom von der Steuerelektrode zur Kathode fliessen kann, dann erniedrigt sich die zur Zündung des Elements erforderliche Anoden-Kathoden-Spannung, und zwar umso mehr, je grosser der Steuerstrom bzw, Zündstrom durch die Steuerelektrode ist. Durch Aenderung des Steuerstroms lässt sick daher die zum Zünden des Elements erforderliche Anoden-Kathoden-Spannung in weiten Grenzen beliebig verändern. Wenn das Element einmal gezündet hat, dann bleibt sein leitender Zustand, unabhängig vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Steuerstroms, solange aufrechterhalten, bis die Anoden-Kathoden-Spannung verschwindet bzw. bis die Anode ein negatives Potential relativ zur Kathode erhält. Im leitenden Zustand ist der Innenwiderstand des Elements sehr klein, und der Stromfluss wird allein durch die äussere Impendanz des Kreises bestimmt. Wenn daher ein silizium-gesteuerter Gleichrichter mit seiner Anode und seiner Kathode in einen von Wechselstrom durchflossenen Kreis geschaltet ist, wie es in der Schaltung nach der Erfindung geschieht, in welcher die im Läufer induzierten Wechselströme über silizium-gesteuerte Gleichrichter geleitet werden, dann bleibt ein solcher silizium-gesteuerter Gleich-

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-.12-

richter im Sperrzustand, bis an seiner Anode ein relativ zur Kathode positives Potential hinreichender Grosse auftritt, welches die Zündung des Elements zur Folge hat. Wie erwähnt, hängt die Grosse dieses zur Zündung erforderlichen Potentials ihrerseits von der Grosse des zu diesem Zeitpunkt über die Steuerelektrode fliessenden positiven Stromes ab.

Das bedeutet, dass nach Art eines Phasenanschnitts von jeder, das Element beaufschlagenden positiven Stromwelle nur ein mehr oder weniger grosser Anteil durchgelassen wird, wobei jedoch die Amplitude der betreffenden Stromhalbwelle nicht beeinflusst wird. Beim Nulldurchgang des Wechselstromes, bzw, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung am Element verschwindet:, schaltet, unabhängig vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Steuerstroms, das Element wieder in den Sperr zustand, so dass die folgende, negative Stromhalbwelle gesperrt bzw, unterdrückt wird. Beim Auftreten der folgenden positiven Stromhalbwelle wiederholt sich das Schaltspiel des Elements,

Diese oben erläuterten, bekannten elektrischen Eigenschaften von silizium-ge steuerten Gleichrichtern werden gemäss der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise zur Steuerung des im Läufer induzierten Stromes und damit zur Steuerung der Drehzahl des Motors ausgenutzt. Während bei bisher bekannten Vorrichtungen zur Drehzahlsteuerung ein Teil des fliessenden Induktionsstromes, insbesondere durch Zuschaltung von äusseren Widerständen, in Verlustleistung umgewandelt werden muss, entfällt dieser Nachteil bei der vorliegenden Erfindung infolge des beschriebenen Schaltverhaltens der zu verwenden siliziumgesteuerten Gleichrichter oder anderer Halbleiterelement mit ähnlichen Eigenschaften, Gemäss der Erfindung wird ferner der zur Steuerung der Elemente benötigte Steuer- bzw, Zündstrom vorzugsweise vom im Läufer induzierten Strom bzw, der induzierten Spannung abgeleitet.

**· Die für einen bestimmten Steuerstrom geltende Zündspannung ist der Kennlinie

to des Elements zu entnehmen. Im Grenzfall eines maximalen Steuerstroms genügt

—» bereits ein sehr geringes, gegenüber der Kathode positives Anodenpotential, dato

"*·» mit das Element leitend ist.
O

l^j Durch Anlegen eines bestimmten Steuerpotentials lässt sich daher ein bestimmter Induktions strom vorgeben und damit der Motor auf eine ausgewählte Drehzahl stabilisieren. Wenn die Motorbelastung ansteigt, dann hat der Motor die Tendenz, seine Geschwindigkeit zu verringern; entsprechend der Motorkennlinie nimmt

daher die im Läufer induzierte Spannung zu, was eine Erhöhung der zwischen Anode und Kathode des gesteuerten Gleichrichters auftretenden Spannung zur Folge hat. Diese Spannung steigt auf einen Wert, der dem korrelierten Steuer-

. des Elements strom entspricht, welcher infolge der Kennlinie/für einen grösseren Stromfluss zur Verstärkung des Betriebs des Motors sorgf^ der so auf die durch den Steuerstrom bestimmte Drehzahl eingestellt wird.

Wenn andererseits die Motorbelastung abnimmt und daher der Motor sich beschleunigt, dann verringert sich die induzierte Spannung und damit die Spannung zwischen den Anoden und Kathoden der gesteuerten Gleichrichter, was gemäss der Kennlinie der gesteuerten Gleichrichter eine Sperrung des Stromes und eine Herabsetzung der Motorleistung zur Folge hat, bis sich die durch den Steuerstrom bestimmte Kontrolldrehzahl einstellt.

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■ . - .14 - ■

Es gibt drei Möglichkeiten, um die Läuferwicklungen zu einem geschlossenen Stromkreis zu verbinden und damit die Dreh2ahl des Läufers zu steuern. Diese drei Möglichkeiten werden im folgenden ■anhand der Fig. 9,10 und 11 beschrieben.

Die Gitter- bzw. öteüerelektroden der elektronischen Elemente 22, 24₃34 und 36 sind, was auf den Fig. 9 bis 11 nicht dargestellt ist, an die Ausgangsklemmen 58, 60, 62 bzw, 64 einer Steuerschaltung 66

/Sie .

angeschlossen, wie/beispielsweise in Blockform in den Fig. 1,2 bzw. 4 und im einzelnen in den Fig. 3 und 5 dargestellt ist. Die Läufer wicklungen 1,2 und 3 sind wiederum im Stern geschaltet, und die nicht dargestellten Ständerwicklungen des Motors werden durch einen Dreiphasenstrom in bekannter Weise zyklisch derart erregt, dass ein Ständerdrehfeld erzeugt wird, welches den Läufer antreibt. Dieser Dreiphasenstrom des Ständers lässt sich auffassen als drei einphasige Wechselströme, die eine gegenseitige Phasenverschiebung von jeweils 120° haben.

Im Betriebszustand nach Fig. 9 ist die Phase 2 negativ vorgespannt, d.h., der Strom fliesst von dem mit der Phase 2 verbundenen Schleifring 188 in Richtung des Pfeiles (-) zum Verzweigungspunkt 30, an welchem die Kathoden der beiden Elemente 22 und 34 angeschlossen sind. Zu diesem Zeitpunkt sind die Steuerelektroden der Elemente 22 und 38 derart angesteuert, dass diese Elemente leitend sind und der Strom dah-är einerseits über das Element 22, den Punkt 26 in Richtung des Pfeils (+) zum Schleifring 186 und zur Läuferphase 1 und andererseits über das Element 34, den Punkt 38 im Sinne des Pfeils (+) zum Schleifring 190 und zur Läuferphase 3 fliessen kann; dagegen ist für diesen Strom die Verbindung vom Punkt 32 zu den Punkten 28 bzw, 40 durch die in Sperrichtung geschalteten Elemente 24 bzw, 36 gesperrt.

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Bm Betriebszustand nach Fig. 10 kann der Läufer strom von dem an die Läuferphase 1 angeschlossenen Schleifring 186 in Richtung des Pfeils (-) zum Punkt 26, zum Punkt 28, durch das in dieser Stromrichtung leitende Element 24 zum Punkte 32, weiter zum Punkte 30 und dann einerseits in Richtung des Pfeiles (+) über den Schleifring 188 zur Läuferphase 2 und andererseits über das für diesen Strom ebenfalls leitende Element 34 zum Punkte 38 und in Richtung des Pfeiles (+) über den Schleifring 190 zur Läuferphase 3 flies sen; dagegen sind die über die Elemente 22 und 36 verlaufenden Verbindungen für diesen Strom gesperrt.

Im Betriebszustand nach Fig. 11 hat die Läuferphase 3 negatives Potential, d.h. der Lauferstrom kann über den an diese Läufer phase angeschlossenen Schleifring 190 im Sinne des Pfeils {-) zu den Punkten 38 und 40, durch das für diese Stromrichtung zu diesem Zeitpunkt leitende Element 36 zu den Punkten 32 und 30 und von dort einerseits in Richtung des Pfeiles (+) über den Schleifring 188 zur Läuferphase 2 und andererseits über das für diese Stromrichtung zu diesem Zeitpunkte ebenfalls leitende Element 22 zum Punkte 26 und in Pfeilrichtung (+) über de.n Schleifring ?86 zur Läuferphase 1 fliessen; dagegen sind die Verbindungen über die Elemente 34 und 24 in diesem Betriebszustand gesperrt.

Auf diese Weise lässt sich in allen möglichen Betriebszuständen des Läufers ein allmählicher bzw. stufenweiser Kurzschluss strom über die jeweils beschriebenen Stromkreise herstellen, wobei die Grosse dieses Stromes und dessen Bauer, wie beschrieben, durch die Steuerschaltung 66 steuerbar ist, welche die betreffenden Elemente 22, 24, 34 und 36 beeinflusst.

Wie bereits erwähnt, besteht die bekannte Massnahme zur Geschwindigkeitssteuerung eines Induktionsmotors darin, den Widerstand im Läuferkreis zu vergrössern bzw. zu verkleinern. Die mechanische

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Leistung im Luftspalt des Motors, d.h. die vom Ständer auf den Rotor übertragene Leistung ist gegeben durch die Beziehung:

P = (R/S)f (I)

wobei P die mechanische Leistung am Luftspalt, R den Widerstand der Läuferwicklung, S den Schlupf und I den im Läufer induzierten Strom bedeuten.

Gemäss dieser Beziehung basiert die bekannte Massnahme zur Drehzahlsteuerung auf einer Aenderung des Verhältnisses R/S, indem ein aus serer Widerstand Re zum Widerstand R des Läufers zugefügt wird. Bei Drehzahländerungen wird der Wert von S variiert oder in jedem Augenblick auf einen besonderen Wert S' geändert, so dass

CR + Re)/S' (II)

gilt, Gemäss der bisher bekannten Massnahme zur Aenderung der Motordrehzahl wird die mechanische Leistung im Luftspalt, d.h. die vom Ständer auf den Rotor übertragene mechanische Leistung bei einer Aenderung der Geschwindigkeit konstant gehalten^ und

seinen für

ebenso behält der Leitungsstrom V/ volle Drehzahl geltenden Nennwert bei. Um die Gleichung (I) zu erfüllen, wenn der Wert des Gesamtwiderstandes Rt = R + Re im Läuferkreis zunimmt, muss der SchlupfS' entsprechend vergrBssert werden, was zur Folge hat, dass auch der Joule?sehe Effekt Rt · i ansteigt; d. h., man muss eine entsprechend höhere Verlustwärme inkauf nehmen.

Demgegenüber wird gemäss der vorliegenden Erfindung zwecks Steuerung bzw. Regelung oder Aenderung der Motordrehzahl die mechanische Leistung im Luftspalt geändert. Da der Läuferwiderstand R stets konstant ist, lässt sich eine derartige Aenderung gemäss

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Gleichung (I) nur durch eine Aenderung des ünduktionsstromes I erreichen, welcher durch die beschriebenen Schaltungen nach der Erfindung steuerbar ist. Es wird also in der Gleichung (I) gemäss der Erfindung das Verhältnis (I /S') modifiziert; wenn der Strom abnimmt, dann nimmt der Schlupf zu, und das erwähnte Verhältnis verringert sich entsprechend der abnehmenden Drehzahl. Da R konstant bleibt, bedeutet das, dass die mechanische Leistung im Luftspalt verringert wird, was eine weitere Abnahme der Drehzahl zur Folge hat. Mit anderen Worten wird durch die Schaltung nach der Erfindung erreicht, dass eine Erhöhung der Verlustwärme vermieden wird; vielmehr nimmt der Motor, wenn die Geschwindigkeit absinkt, entsprechend weniger Energie aus der Speiseleitung auf. Diese geringere Energieaufnahme wird dadurch erreicht, dass nur ein vorgebbarer Anteil der vollen Wellenlänge des Stromes ohne irgendeine Beeinflussung seiner Amplitude benutzt wird. Bei der vorbekannten Massnahme dagegen wird die volle Wellenlänge des Stromes verwendet, wobei jedoch ein mehr oder weniger grosser Anteil dieses Stromes durch den Joule^hen Effekt in Verlustwärme umgewandelt werden muss.

Die Steuerschaltung nach der Erfindung erlaubt also eine Steuerung der GrÖsse bzw, des Anteils der Gesamtstromwellenlänge, welcher in den jeweils geschlossenen Kurzschlussstromphasen des Lauferkreises zirkulieren kann, wodurch die Drehzahl des Motors entsprechend kontrolliert wird. Diese Steuerung erlaubt es, die Motordrehzahl innerhalb eines Bereichs zwischen 5 % der Nenndrehzahl und der vollen Nenndrehzahl sowohl in steigendem als auch in abnehmendem Sinne zwischen zwei beliebigen vorgebbaren Werteizu steuern bzw. zu regeln.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Schaltungen begrenzt, sondern lässt hinsichtlich der Steuerung der im Läufer induzierten Ströme mannigfache Varianten zu.

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Claims

PATENT ANSPR UEC HE

' 1. !Anordnung zur Drehzahlsteuerung oder -regelung eines Mehrphasen-Induktionsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwicklungei aes Läufers paarweise über sixomsteuernde Elemente zur Bildung von Läufer-Kur ζ Schluss Stromkreisen verbunden sind und dass eine Steuerschaltung vorgesehen ist, welche durch die Spannung an wenigstens einer Läuferwicklung beeinflussbar ist und die erwähnten stromsteuernden Elemente derart steuert, dass die Läuferphasenwicklungen zwecks Drehzahlsteuerung kurzgeschlossen werden,

2, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromsteuernden Elemente Silizium-ge steuerte Gleichrichter sind,

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Läuferphasenwicklungen durch antiparallel geschaltete Silizium-ge steuerte Gleichrichter miteinander verbunden sind, welche so gesteuert werden, dass in Abhängigkeit von der momentanen Läufer stellung jeweils in einer bestimmten Richtung geschlossene Läufe rstrompfade gebildet werden,

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die stromsieuernden Elemente in Abhängigkeit von der Läuicrspannung jeweils bestimmte Anteile der im Läufer induzierten Ströme während yorgebbarer Zeitspannen fliessen lassen,

5, Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stromsteuernden Elemente jeweils während bestimmter Zeiten derart angesteuert sind, dass nur ein bestimmter Anteil ~j-zr voller. Stromwelle ohne Beeinflussung der Stromamplitude ir. csn betreffenden kurzgeschlossenen Stromkreisen fliessen kann,

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6« Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektroden der stromsteuernden Elemente durch die Steuerschaltung mit einem Potential beaufschlagbar sind, dass hinsichtlich Grosse und Zeit so gesteuert wird, dass nur ein vorgebbarer Anteil der Stromwelle in den betreffenden kurzgeschlossenen Stromkreisen fllessen kann. ·

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der induzierte Läuferstrom ohne wesentliche Aenderung des Gesamtwiderstandes des Läufer Stromkreises veränderbar ist, derart, dass die infolge des Joule'chen Effekts erzeugte Verlustwärme nur einen minimalen Wert hat,

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung einen Zweiweggleichrichter aufweist und so eingerichtet ist, dass den an den Ausgang der Steuerschaltung angeschlossenen Steuerelektroden der stromrteuernden Elemente ein Steuer-Gleichstromsignal zugeführt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennz-eichraet, dass die Steuerschaltung ferner einstellbare Mittel zur Erzeugung einer veränderbaren Vorspannung derart aufweist, dass der Gleichstromausgang der Steuerschaltung zwecks Anpassung an die Nenndrehzahl des Motors veränderbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweiweggleichrichter eine Mehrzahl von in zwei Gruppen angeordneten Gleichrichterdioden, Mittel zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen den Kathoden und Anoden dieser Gleichrichterdioden und ferner Mittel zur Veränderung des den Steuerelektroden der strömsteuemden Elemente zugeführten Steuerstroms aufweist.

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11. Anordnung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aenderung des Steuerstromes aus einem variablen Widerstand bestehen.

12. Anordnung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aenderung des Steuerstromes aus einer Photozelle bestehen.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aenderung des Steuerstromes aus einer Tunneldiode bestehen.

14. Anordnung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aenderung des Steuerstromes aus einer Elektrode mit veränderlichem Widerstand bestehen.

15. Anordnung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aenderung des Steuerstromes aus einem eine Gleichrichterbrücke eins chlies senden magnetischen Steuerkreis bestehen.

16. Anordnung riach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang der Steuerschaltung eine Vielzahl von Dioden zwecks Verhinderung einer Rückkopplung zu diesem Steuerkreis angeschlossen sind.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, für einen Dreiphasen-Schleifringmotor, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Läuferphasen jedes Läuferphasenpaares zwei antiparallel geschaltete stromführende Elemente, vorzugsweise Thyristoren,
zwecks Steuerung des im Läufer induzierten Wechselstroms geschaltet sind und dass die Steuerschaltung durch die Läufer spannung beeinflussbar und so ausgebildet ist, dass die stromführenden Elemente zwecks Bildung eines stufenweisen Kurzschlussstromes durch die je-

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weils im einen Sinne kurzgeschlossenen Läufer-Stromkreise in Abhängigkeit von der momentanen Vorspannung des im Läufer induzierten Stromes angesteuert werden,

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, für einen Induktionsmotor, insbesondere einen Dreiphasen-Schleifringmotor, mit einem Stator, der mit einem. Mehrphasenstrom gespeist wird, und mit einem Rotor, auf dessen Welle ein Lüfter zwecks Kühlung des Motors befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen, strom steuernden Elemente fest auf der Motorwelle, insbesondere auf dem Lüfter, montiert sind und mit ihren Anoden bzw. Kathoden an die eine bzw. andere Läuferphase jedes Läuferphasenpaares angeschlossen sind, während die Steuerelektroden der stromsteuernden Elemente mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbunden sind, die ihrerseits durch die Spannung an wenigstens einer der Läuferphasen beeinflussbar ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter aus elektrisch leitendem Material besteht, die erwähnten stromführenden Elemente auf dem Lüfter montiert und jeweils mit einer ihrer Elektroden elektrisch an den Lüfter angeschlossen sind, wobei der Lüfter selber einen allen stromsteuernden Elementen gemeinsamen elektrischen Verbindungspunkt bildet.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass alle Phasen der Läufer wicklung jeweils paarweise über eine Diode und einen mit dieser in Reihe geschalteten siliziumgesteuerten Gleichrichter verbunden sind und die Kathoden aller Dioden sowie die Anoden aller silizium-gesteuerten Gleichrichter an einem gemeinsamen Punkt angeschlossen sind, und dass in einer diesen gemeinsamen Punkt mit den Kathoden der silizium-gesteuerten Gleichrichter verbindenden Leitung ein Element mit einstellbarem bzw, veränderlichem elektrischem Widerstand angeordnet ist.

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21. Anordnung nach. Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Verbindungsleitung über je eine Diode mit jeder Kathode der Silizium-ge steuerten Gleichrichter verbunden ist. '

22. Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Ve rbindungs leitung über Schleifringe an das erwähnte Element mit einstellbarem Widerstand angeschlossen ist.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge der Steuerschaltung über Schleifringe mit den Phasenwicklungen des Läufers verbunden sind.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Steuerschaltung über Schleifringe mit den Steuerelektroden der stromsteuernden Elemente verbunden sind.

25. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung nur einen Ausgang aufweist, welcher über je eine Diode mit jeder der Steuerelektroden der stromsteuernden Elemente verbunden ist.

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