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Schaltungsanordnung zum Schutz von Gleichstrom-Nebenschluß-
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motoren gegen uzulässige Drehzahlerhöhungen Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors gegen eine
unzulässige Drehzahlerhöhung mit einem Drehzahlschalter mit zugeordnetem Schaltschütz
zur Unterbrechung des Ankerstromkreises des Rotors, Bei Gleichstrom-HebenschluSmotoren
können Drehzahl und Leitung über einen breiten Bereich durch Veränderung der magnetischen
Feldstärke des Erregerfeldes bzti. durch Änderung der Stromstarke in der Feldwicklung
eingestellt und dann ggf. auf konstante Werte geregelt werden, ohne daß der Ankerstrom
in dem mit einer konstanten Gleichspannung gespeisten Ankerstromkreis geändert werden
müßte. Die Einstellung und ggf. Regelung der Drehzahl erfolgt vielmehr allein durch
Veränderung des Stroms durch die Feldwicklung(en), wobei dieser Strom üblicherweise
sehr viel kleiner ist als der Ankerstrom, so daß für die Drehzahlsteuerung und -regelung
elektronische Schaltelemente mit vergleichsweise geringer Nennleistung eingesetzt
werden können, die zu einem relativ günstigen Preis zur Verfügung stehen.
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Andererseits erweist es sich bei Gleichstrom-Nebenschlußmotoren als
problematisch, daß eine starke Schwächung oder ein totaler Ausfall des Erregerstromes,
beispielsweise aufgrund einer Leitungsunterbrechung, bei gleichzeitig fehlender
oder sehr geringer Belastung des Motors wegen der unvermeidlichen Remanenz des Statormaterials
und des daraus resultierenden, verbleibenden schwachen Erregerfeldes eine rasche
Beschleunigung des Ankers
auf unzulässig hohe Drehzahlen zur FolGe
hat, die schnell zu einer Zerstörung von Kommutator und/oder des Motors führen können.
Dabei ist es besonders kritisch, daß der Ankerstrom bei einem derartigen unkontrollierten
"IIochlaufen" des Motors durchaus unterhalb des maximal zulässigen Wertes bleiben
kann, so daß ggf. in den Ankerstromkreis eingebaute uberstromsicherungen nicht ansprechen.
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Im Hinblick auf die vorstehend erläuterten Schwierigkeiten ist es
üblich, Gleichstrom-Nebenschlußmotoren, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden, durch einen Drehzahlschalter zu schützen, der bei Erreichen des
zulässigen oberen Grenzwertes der Drehzahl über ein Schaltschütz die Unterbrechung
des Ankerstromkreises bewirkt. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Sicherung
bei einem plötzlichen Absinken des Erregerstromes aufgrund der Trägheit der eingesetzten
Hochstromschätze, die beispielsweise eine Ansprechverzögerung von 0,1 sec aufweisen,
zu langsam sind, um in allen Fällen einen wirksamen Schutz des rotors zu gewährleisten.
Bei einem starken Absinken des Erregerstroms, insbesondere bei einem völligen Ausfall
desselben, beispielsweise aufgrund einer Leitungsuntrbrechung, kann nämlich die
Drehzahl innerhalb des Zeitintervalls zwischen dem Erreichen der zulässigen Höchstdrehzahl
und der endgultigen Abschaltung des Ankerstromes ohne weiteres um 1000 Upm ansteigen
und somit den zulässigen Höchstwert weit übersteigen.
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Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß die bisher eingesetzten
Schutzschaltungen für einen wirksamen Schutz von Gleichstrom-ebenschlu3motoren zu
langsam sind. Andererseits ist es auch nicht ohne weiteres möglich, durch den Einsatz
geeigneter Ilalbleiter-Bauelemente, wie z.B. Transistoren, Thyristoren usw.
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zu Schutzschaltungen mit einer höheren Ansprechgescfrjindigkeit zu
gelangen, da für eine entsprechende Leistung ausgelegte Halbleiterbauelemente für
solche Schutzschaltungen sehr teuer sind.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik und der erläuterten
Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und gleichzeitig
preiswerte Schaltungsanordnung zum Schutz von Gleichstrom-Nebenschlußmotoren gegen
eine unzulässige Drehzahl erhöhung anzugeben.
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Diese Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dal! die Feldwicklung des Motors in zwei
Teilwicklungen mit separaten Speisespannungsanschlüssen unterteilt ist.
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Der entscheidende Vorteil dieser Unterteilung der Feldwicklung besteht
dabei darin, daß die Gefahr eines vollständigen Ausfalls des Erregerfeldes (bis
auf das remanent-magnetische Restfeld) von vornherein auf ein Minimun reduziert
ist, da es unwahrscheinlich ist, daß eine Störung gleichzeitig beide Teilwicklungen
betrifft. Dies gilt insbesondere dann, wenn man den Erregerstrom in einer der Teilwicklungen
auf einen fest vorgegebenen Wert einstellt, der zu einer Grunderregung fahrt, bei
der der rotor bei stromloser zweiter Teilwicklung gerade seine zulässige Höchstdrhzahl
erreicht. In diesem Fall können nämlich alle Einrichtungen zur Drehzahlsteuerung
und/oder -regelung mit der zweiten Teilwicklung verbunden sein, wo die Gefahr einer
Störung, die jetzt jedoch nicht mehr zu einem gefährlichen hochlaufen des liotors
führen kann, wegen der zugeordneten 'chaltkreisteile wesentlich höher ist.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens einer der Teilwicklungen
- insbesondere der Teilwicklung, über die ein fest vorgegebener Erregerstrom fließt
- eine Untersti'omüberwachungsschaltung zugeordnet ist, über die bei Absinken des
betreffenden Erreger-Teilstroms unter einen vorgegebenen Grenzwert der Ankerstrom
vorzugsweise über den ohnehin vorhandenen Schalter schütz abschaltbar ist.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn einer der Teilwicklunven eine Regelschaltung
zugeordnet ist, mit deren Hilfe der in dieser Teilwicklung fließende Rrregerstrom
in Abhängigkeit von Speisespannungsschwankungen und/oder kritischen Drehzahländerungen
veränderbar ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert, in denen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen
von Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung dargestellt sind.
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Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung und Fig. 3 eine dritte Ausfihrungsform einer Schaltungsanordnung
gemaß der Erfindung.
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im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Gleichstrom-Nebebnschlußmotor 10,
mit einem Anker 12 und mit einer Feldwicklung, die in zwei Teilwicklungen 14, 16
unterteilt ist. Der Anker 12 bzir. die Ankerwicklung und die beiden Teilwicklungen
14, 16 werden einzeln aus einer Speisespannungsquelle 18 gespeist. Der Ankerstromkreis
enthält einen Schalter 20, mit einem normalerweise geschlossenen Ruhekontakt. Dieser
Schalter 20 kann beispielsweise ein Schaltschütz mit geringer Ansprechgeschwindigkeit
sein. Der Schalter 20 ist einerseits in üblicher Weise durch einen Drehzahlschalter
22 betätigbar, welcher, wie dies schematisch angedeutet ist, die Drehzahl der Abtriebswelle
24 des Rotors 10 erfaßt und den Schaltkontakt des Schalters 20 bei Erreichen bzw.
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Uberschreiten einer maximal zulässigen oberen Drehzahl öffnet.
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Andererseits ist der Schalter 20 mit Hilfe einer Unterstrom-
Oberwachungsschaltung
26 betätigbar, welche beim husführungsbeispiel den Strom durch die erste Teilwicklung
14 überwacht und den Schaltkontakt des Schalters 20 öffnet, wenn dieser Strom unter
einen vorgegebenen unteren Grenzwert absinkt.
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Weiterhin sind bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in Serie zu
den Teilwicklungen 14, 16 jeweils noch Regelschaltungen 28 bzw. 30 vorgesehen, mit
deren Hilfe eine Regelung der betreffenden Erreger-Teilströme erfolgen kann. Im
einzelnen kann beispielsweise mit der Regelschaltung 28 für die erste Teilwicklung
14 eine konstante, temperaturunabhängige Grunderregung eingestellt werden, die so
groß ist, daß der rotor bei stromloser zweiter Teilwicklung 16 seine maximal zulässige
Höchstdrehzahl nicht überschreitet. Wenn diese konsta-nte Grunderregung unterschritten
wird, spricht die Unterstrom-Uberwachungsschaltung 26 an und unterbricht den Ankerstrom.
Die Steuerung der Drehzahl des Rotors erfolgt über einen variablen Strom in der
zweiten Teilwicklung 16 derart, da'; die Summe aus dem konstanten Strom in der ersten
Teilwicklung 14 und dem variablen Strom in der zweiten Teilwicklung bei gegebenem
Ankerstrom die jeweils gewünschte i3etriebsdrehzahl gewährleistet. Die niedrigste
Betriebsdrehzahl, die Nenndrehzahl, bestimmt also die maximal erforderliche Gesamterregung
des Motors 10 und damit die Größe der Teilwicklung 16 bzw. des durch diese Teilwicklung
fließenden Stromes. i;s versteht sich, daß die maximal erforderliche Gesamterregung
bei dem Rotor bzw. der Schaltungsanordnung Memä3 der Erfindung ebenso gro3 ist,
wie bei einem konventionellen Gleichstrom-hebenschlußmotor mit ungeteilter Erregerwicklung,
so daß die Aufteilung der Erregerwicklung keinen zusätzlichen konstruktiven Aufwand,
beispielsweise hinsichtlich der Ausgestaltung des Stators und oder der Windungszahl
mit sich bringt.
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Andererseits gewährleistet der beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung den Schutz des Motors gegen eine unzulässige Drehzahlerhöhung
bei Ausfall eines Erregerteilstroms. Fällt nämlich der Strom durch die zweite Teilwicklung
16 aus, so stellt die über die erste Teilwicklung 14
erzeugte Grunderregung
sicher, daß die Drehzahl nur bis zur maximal zulässigen Höchstdrehzahl ansteigen
kann. Andererseits wird der Motor 10 bei Ausfall des Stromes in der ersten Teilwicklung
14 durch das von der zweiten Teilwicklung 16 erzeugte Erregerfeld geschützt, insbesondere,
wenn man die Regelschaltung 30 so ausbildet, daß der Strom durch die zweite Teilwicklung
16 bei einem unzulässigen Absinken oder Ausfallen des Stromes durch die erste Teilwicklung
14 entsprechend erhöht wird.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Schaltungsanordnung gemäß Fig.
1 wird deutlich, daß eine erhöhte Sicherheit bereits dadurch erreicht wird, daß
zwei Teilwicklungen vorgesehen sind, da es unwahrscheinlich ist, daß beide Teilwicklungen
gleichzeitig ausfallen und da es ferner unwahrscheinlich ist, daß bei einem Ausfall
der ersten Teilwicklung 14, welche stets für die erforderliche Grunderregung sorgen
soll, der durch die zweite Teilwicklung 16 fließende Strom gerade ull ist. Wenn
dann zusätzlich noch eine Unterstrom-fJberwachungsschaltung vorgesehen ist, dann
ergibt sich überdies der Vorteil, daß der Schalter 20 bereits bei einem Absinken
des Stromes in der ersten Teilwicklung 14 angesteuert wird und nicht erst bei Uberschreiten
der zulässigen Höchstdrehzahl, so daß das für den Abschaltvorgang zur Verfügung
stehende Zeitintervall vergrößert wird. Binde praktisch absolute Sicherheit gegen
eine unzulässige Drehzahlerhöhung erreicht man schließlich dadurch, daß man bei
Ausfall des Stromes durch die erste Teilwicklung 14 den Strom in der zweiten Teilwicklung
16 über die zugeordnete Regelschaltung 30 entsprechend erhöht.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der vorstehend
beschriebenen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 dadurch, daß zusätzlich eine Meßschaltung
32 zum Erfassen der Ankerspannung vorgesehen ist, welche mit der Regelschaltung
28 für die erste Teilwicklung 14 verbunden ist und diese derart beeinflußt, daß
die Grunderregung entsprechend der jeweiligen
Ankei'spaniiung nachgeregelt
wird, so daß einerseits bei sehr hoher Versorgungsspanung die maximal zulässige
Höchstdrehzahl bei Ausfall des Stromes durch die zweite Teilwicklung 16 nicht überschritten
wird, während andererseits bei sehr niedriger Versorgungsspannung die maximale Betriebsdrehzahl
noch erreicht werden kann.
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Auch die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 entspricht weitgehend derjenigen
gemäß Fig. 1, wobei jedoch anstelle der Unterstrom-Uberwachungsschaltung 26 eine
Drehzahlme@einheit 34 vorgesehen ist, die mit der Regelschaltung 28 im Stromkreis
der ersten Teilwicklung 14 verbunden ist und ciort bei Uberschreiten der maximalen
Betriebsdrehzahl, beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Speisespannung für
eine entsprechende Erhöhung des Erregerteilstromes sorgt. Dadurch wird sichergestellt,
daß bei Ausfall des Erregerstromes durch die zweite Teilwiicklung 16 auch bei hoher
Ankerspannung die maximal zulässige Wchstdrehzahl nicht überscbritten wird.
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Obwohl bei den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 bis 3 keine entspprechenden
Einrichtungen gezeigt sind, versteht es sich, dals es sinnvoll ist, den Ausfall
einer Teilwicklung oder das unerwünschte Hochlaufen des Motors bis zu einer über
der Betiiebsdrehzahl liegenden Drehzahl, die jedoch noch unkritisch ist und ausgeregelt
wird, mit Hilfe einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung anzuzeigen, damit die betreffende
Störung erkanrit und vom Bedienungspersonal behoben werden kann.