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Drehzahlverstellvorrichtung für Drehstrom-Asynchronmotoren für
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den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere in Grubenbauen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlverstellvorrichtung fiir Drohstrom-Asynchronrnot:oren
fr den Umsatz in explosiorisgefährdeten Bereichen, insbesondere in Crubenbauen,
mit einem elektrischen Leistungsteil aus einem Drehstrom gespeisten Gleichrichter
und einem über einen Filter- bzw. Glättungsteil an die Gleichrichterausaange angeschalteten
Transistor-bzw. Thyristor-Wechselrichter zum Speisen des oder der Motoren und mit
einem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters steuernden Steuer- und Regel teil.
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Drehzahlverstelleinrichtungen dieser Art sind als Frequenzum richter
zur Drehzahlverstellung von Käfigläufermotoren insbesondere bei Pumpen- und Gebläse-Antrieben
bekannt und vielfach im Einsatz.
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In Fig. 1 ist der elektrische Aufbau der Drehzahlverstelleinrichtung
mit dem angetriebenen Drehstrom-Asynchronmotor in einem nlockschalEbild schematisch
dargestellt.
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In einem als strichpunktierter Block dargestellten Leistungsteil 1
wird der vorn Drehstromnetz einqespeiste Drehstrom zunächst von einem Gleichrichterteil
2 in einen 6-pulsigen Gleichstrom qleichgerichtet. Nach Glattung in einem Filterteil
3 wird aus der gepulsten Gleichspannung im Wechselrichter 4 mittels Pulsbreitenmodulation
(PWM) ein symmetrisches Drenstromnetz mit einstellbarer Frequenz erzeugt. Die sechs
Transistoren bzw. Leistungsthyristoren legen dabei unter Steuerung der Frequenz
durch einen Steuer- und Regel teil 5 in periodischer Abfolge jede der drei Phasen
des rotors M abwechselnd an eine positive und negative Gleichspannung, wobei das
Drehfeld im rotor durch die Periodizität entsteht. Mit Hilfe des Steuer- und Regelteils
5 kann der Motor M Ilber den Wechselrichter 4 anlaufen gelassen, angehalten und
richtungsumgekehrt werden.
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bei herkömmlichen Drehzahlverstelleinrichtungen unter Verwendung der
zuvor beschriebenen Frequenzumrichter wurde das Problem. der abfuhr der unter llmstEnden
hohen Verlustwarme an den Bauelementen des Leistungsteils, insbesondere an den Thyristoren
durch pneumatische Kühlsysteme qelöst, die einen Luftstrom über die zu kühlenden
Bauelemente des Leistungsteils blasen. Solche Drehzahlverstelleinrichtungen mit
Ventilator-Kühlsystemen können jedoch in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere
im Grubenbau unter Tage nicht verwendet werden.
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zudem erschien der Einsatz von Drehzahlverstelleinrichtungen in Grubenbauen
überflüssig, da das Problem der Drehzahl#nderung von Antriebsmaschinen in Grubenbauen
durch Verwendung von polumschaltbaren Antriebsmaschinen als gelöst erschien.
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Die erfindung geht dagegen von der Erkenntnis aus, daß die Möglichkeit
der stufenlosen Drehzahlversellung durch Frequenzumrichter-Antrie# in Grubenbauen
zusätzlich zur Energieeinsparung noch besondere weitere Vorteile haben würde. So
gelingt es beispielsweise bei der Drehzahlregelung der Antriebsmaschinen
für
Kettenförderer die vor allem beim Betreiben ohne Beladung außerordentlich große
Lärmbelästigung durch entsprechende Drehzahlreduktion stark zu verringern. Tatsächlich
nimmt der Lärmpegel bereits bei Geschwindigkeitshalbierung um ca. 10 db ab. Bei
verminderter Umlaufgeschwindigkeit des Förderers erhöht sich außerdem die Beladungsdichte,
wodurch der Geräuschpgel weiter gedämpft wird. Auch der Verschleiß der Förderkette
bzw. des Förderbandes und des Rinnenstranges wird herabgesetzt, wenn der Antrieb
auf die Geschwindigkeit geregelt werden kann, die dem jeweiligen Bedarf entspricht.
Bei langsamem Umlauf kann die Bandanlage außerdem als Bunker bzw. Puffer benutzt
werden.
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Bei Benutzung der Drehzahlregelung für Hobelantriebe kann der Hobel
mit konstantem Drehmoment angetrieben werden, um je nach Härte der Kohle eine gleichbleibende
Schnittiefe zu gewährleisten. Bei Schrämmaschinenantrieben kann mit Hilfe der Drehzahlverstellung
die Walzengeschwindigkeit an die Erfordernisse des Gewinnungsvorgangs angepaßt werden.
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Schließlich ermöglicht die kontinuierliche Drehzahlverstellung in
vielen untertägigen Anwendungsfällen den Ersatz von Hydraulik- oder Pneumatikmotoren
durch elektrische Antriebsmaschinen. Dies gilt beispielsweise für seilgetriebene
Hängebahnen, die an Langsamfahrstellen . ohne wesentlichen Energieverlust abgebremst
werden müssen.
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Auf Bandanlagen ermöglicht eine dem Antrieb zugeordnete Drehzahlverstellvorrichtung
der beschriebenen Art ein sicheres Auf- und Absteigen von Personen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Drehzahlverstellvorrichtung
der eingangs genannten Art für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere
in Grubenbauen
geeignet zu machen, um dadurch insbesondere Fördermittel
und Gewinnungsmaschinen besser ausnutzen zu können und die Lärmbelastung beim Betreiben
von Förderern zu verringern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der elektrische
Leistungsteil in einem flüssigkeitsdicht abgeschlossenen Innenraum eines druckfesten
Gehäuses der Schutzarten "Ex" und "Sch" eingebaut ist, daß der Innenraum des gehäuses
mit einem flüssigen, isolierenden Kühlmittel gefüllt ist, in das der elektrische
Leistungsteil unter im wesentlichen allseitiger direkter Umspülung eingetaucht ist,
und daß eine Umwälzvorrichtung zum Umwälzen des flüssigen Kühlmittels im Gehäuse
vorgesehen ist.
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Diese Drehzahlverstellvorrichtung löst das Problem der Abfuhr der
Verlustwärme im Leistungsteil durch direkte Flüssigkeitskühlung unter Verwendung
von beispielsweise Transformatorenöl als Kühlmittel. Destilliertes Wasser als Kühlmittel
in dem geschlossenen Primärkühlkreis wäre zwar ein noch besseres Kühlmedium, bir#gt
jedoch die Gefahr, daß durch Korrosion von Gehäuseteilen oder von zum Leistungsteil
gehörigen Bauelementen eine Verschmutzung und damit eine Leitfähigkeit des Kühlmittels
entsteht.
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Durch die Erfindung gelingt es, die bisher allenfalls durch Lüfter
gekühlte Drehzahlverstellvorrichtung mit Krequenzum richter für den in besonderem
Maße explosionsgefährdeten Grubenbau geeignet zu machen und die Komponenten des
Leistungsteils selbst bei den im Grubenbau üblichen hohen Anschlußleistungen von
beispielsweise 160 kW, in Sonderfällen (Haspelmaschinen) sogar 500 kW,ausreichend
zu küh-l-enDabei ist zumindest der elektrische Leistungsteil des Frequenzumrichters
zusammen mit dem geschlossenen Primärkühlkreis im druckfesten Gehäuse gekapselt.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Drehzahlverstellvorrichtung
an
Antriebsmaschinen, die entweder einzeln oder im Gruppenbetrieb betrieben werde können,
gelingt nicht nur die laufende Betriebsanpassung an den Leistungsbedarf, sondern
auch gegenüber herkömmlichen polumschaltbaren Motoren eine beträchtliche Energieeinsparung
vor allem im niedrigen Leistungsbereich.
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In Zuordnung zu Kettenfördererantrieben, die im Durchschnitt nur zu
30 % der Schichtzeit unter Volleistung betrieben ~zu werden brauchen, kann die Lärmbelastung
ganz wesentlich herabgesetzt werden. Bei geringer Beladung swird auch die Staubentwicklung
durch Verringerung der Umlaufgeschwindigkeit des Förderers wesentlich vermindert.
Ein langsames schonendes Anfahren der Antriebsmaschinen ist mit Hilfe der Drehzahlverstellvorrichtung
möglich, wobei auf besondere Schleifringläufer für den Anfahrbetrieb verzichtet
werden kann.
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Generell eröffnet die Erfindung auch den elektrischen Antrieben in
Ersatz vor allem hydraulischer Antriebe neue Anwendungsgebiete. So können beispielsweise
Bohrmaschinen,die in explosionsgefährdeten Bereichen bisher grundsätzlich hydraulisch
betrieben wurden, mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet werden.
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Bei hohen Antriebsleistungen der von der Drehzahlverstellvorrichtung
gespeisten Drehstrom-Asynchronmotoren empfiehlt es sich, einen Wärmetauscher vorzusehen,
der in Wechselwirkung mit dem geschlossenen Primärkühlkreislauf dessen Wärme in
einen Sekundärkühlkreis abführt. Für den Sekundärkühlkreis eignet sich als Kühlmedium
Industriebrauchwasser, das in den explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere
im Grubenbou ln.
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der Regel in beliebigen Mengen zur Verfügung steht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die den Innenraum begrenzende Gehäusewand wenigstens teilweise
als Wärmetauscher ausgebildet. Die Gehäusewand kann dabei ganz oder teilweise als
Hohlwand ausgebildet sein, in deren Hohlraum wenigstens ein durchgehender Kanal
für das Sekundärkühlmedium, z.B. das Industriebrauchwasser, vorgesehen ist.
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Bei niedrigen Betriebsleistungen kann unter Umständen eine Umwälzung
des Primärkühlmittels durch Konvektion ausreichen, wobei der geschlossene Innenraum
des druckfesten Gehäuses eine die Konvektion begünstigende Ausbildunq haben sollte.
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Bei höheren Leistungen und damit stärkerer Wärmeentwicklung an den
Bauelementen des elektrischen Leistungsteils des Frequenzumrichters ist dagegen
eine Zwangsumwälzung, beispielsweise mittels Umwälzpumpe, #lügelrad, Propeller,
Rührwerk oder Schneckenrad bevorzugt. E#ne Umwälzpumpe, deren Druckseite vorzugsweise
mit dem unteren Bereich des Gehäuseinnenraums verbunden ist, kann in We<#rbildung
der Erfindung mit einem zum Sekundärkühlkreis gehörigen ;armetauscher verbunden
sein, der das von der Pumpe umgewälzte Primärkühlmittel laufend kühlt.
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Leitbleche und/oder Führungsrippen können zur Konzentrierung des Kühlmittelstroms
auf die zu kühlenden Bauelemente des Leistungsteils im Gehäuseinnenraum angeordnet
sein.
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Eine noch weitgehendere Wärmeabfuhr läßt sich dadurch erreichen, daß
an der Gehäusewand die Kühlfläche verqrößerode Kühlrippen angeformt oder befestigt
sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher er läutert. In der Zeichnung zeigen: Fig.
1 ein schematisches Blockschaltbild, das den grundsätzlichen elektrischen Aufbau
der Drehzahlverstellvorrichtung zeigt; Fig. 2 eine schematische Vertikalschnittansicht
auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Drehzahlverstellvorrichtung mit einem in
das Gehäuse integrierten Sekundärkhlkreislauf;
Fig, 3 eIne schematische
Schnittansicht ähnlich derjenigen gemäß Fig. 2 auf ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der Drehzahlverstellvorrichtung, bei dem das Primärkühlmittel durch einen zu einem
Sekundärkühikreis gehörigen Wärmetauscher geleitet wird; und Fig. 4 eine schematische
Schnittansicht durch ein weiteres AusfUhrungsbeiSpiel der Erfindung mit einer angetriebenen
Schraube als Umwälzvorrlchtung zum Umwälzen des Primärkühlm#ttels.
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Bei dem in Fig. 2 als Vertikalschnitt schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
der Drehzahlverstellvorrichtung ist der Leistungstail 1 im Innenraum 10 eines als
Ganzes mit 11 bezeichneten druckfesten Gehäuses - angeordnet. Die zum Leistungsteil
1 gehörigen Bauelemente 12 sind zur Vereinfachung der Darstellung übereinstimmend
als napfförmige Gebilde gezeigt, die auf einer Trägerplatte 13 angebracht und über
strichpunktiert dargestellte Bolzen an der Gehäuseinnenwand befestigt sind.
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Das Gehäuse il ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 doppelwandig
mit einer den Gehäuseinnenraum 10 begrenzenden Innenwand 14 und einem die Innenwand
mit Abstand umspannenden Außenmantel 15 mrgesehen. In dem Raum 16 zwischen den beiden
Gehäusewänden 14 und 15 verläuft wenigstens ein durchgehender Kanal, der von einem
Kühlmedium, z.B. Induatriebrauchwasser, eines Sekundärkühlkreislaufs 17, 18 durchströmt
wird.
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Der Innenraum 10 des Gehäuses 11 ist mit einem isolierenden Primärkühimittel,
beispielsweise Transformatorenöl vollständig gefüllt, so daß der auf der Platte
13 befestigte Leistungsteil 1 der Drehzahlverstellvorrichtung vollständig in das
Kühlmittel eingetaucht ist. Zur besseren Wärmeabfuhr und -verteilung ist im Innenraum
10 eine Umwälzvorrichtung eingebaut, die in dem dargestellten Ausfllhrungsbeispiel
durch
eine Pumpe 19 gebildet ist. Der Innenraum 10 ist dabei durch
eine Trennwand 20 in eine den Leistungsteil 1 aufnehmende Hauptkammer und eine Nebenkammer
21 unterteilt. Die Pumpe 19 ist in der Nebenkammer 21 aufgenommen. Im oberen Bereich
und im unteren Bereich der Trennwand 20 ist jeweils wenigstens eine Öffnung 22 bzw.
23 vorgesehen, über die der Austausch des Primärkühlmittels zwischen den Kammern
im Betrieb stattfindet. Die Pumpe 19 ist mit ihrer Druckseite über eine Verbindungsleitung
24 mit der unteren Öffnung 23 verbunden; die Saugseite der Pumpe mündet über einen
Ansaugstutzen 25 in die Nebenkammer 21.
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Die Pumpe saugt das Primärkühlmittel aus der Nebenkammer 21 an und
drückt es durch die Öffnung 23 in den unteren Bereich der Hauptkammer, in der es
durch geeignete Leitbleche, die schematisch bei 44 und 45 dargestellt sind, auf
die vor allem zu kühlenden Bauelemente 12 des Leistungsteils 1 gerichtet wird. Aus
dem oberen Bereich der Hauptkammer strömt das Primärkühlmittel nach Kühlung der
Bauelemente 12 durch die obere Öffnung 22 in der Trennwand 20 in die Nebenkammer
21 nach und wird von dort aus über den Ansaugstutzen 25 von der Pumpe 19 wieder
im Kreislauf zurückgepumpt. Bei dieser Ausführungsform des druckseitigen Anschlusses
der Pumpe 19 im unteren Bereich der Hauptkammer wird die Gefahr von Störungen aufgrund
von Kavitationserscheinungen vermieden.
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Die gestrichelten Pfeile 26 veranschaulichen den allgemeinen Stzt#mungsverlauf
in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Drehzahlverstellvorrichtung.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Bauelemente 12
auf einer einzigen Platine bzw. Platte 13 angeordnet; in der Praxis werden die Bauelemente
normalerweise auf mehreren Platten angeordnet, wobei dann vor allem die aus den
Leitblechen 44 und 45 bestehende Anordnung so gestaltet wird, daß Teilströme des
umgewälzten Kühlmittels alle auf den verschiedenen Platten angeordneten Bauelemente
12 zur Kühlung erreichen können.
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Bei dem in Fig. 3 schematisch dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel
der Drehzahlverstellvorrichtung ist anstelle des die gesamte Innenwand 14 umspannenden
Kühlmantels 15, 16 ein fekundärkühlkreislauf 27, 28 über einen Wärmetauscher 29
wirksam. Dieser Wärmetauscher 29 ist ebenso wie die Umwälzpumpe 19 in einer Nebenkammer
31 des Gehäuses 11' angeordnet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der mit dem Primärkühlmittel gefüllte
Teil des Gehäuseinnenraums 10 im wesentlichen auf die den Leistungsteil 1 aufnehmende
Hauptkammer 32 beschränkt. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist
die Hauptkammer 32 von der Nebenkammer 31 durch eine Trennwand 20 abgeteilt, und
die Umwälzpumpe 19 steht über eine durch die Trennwand durchgeführte Rohrleitung
33 mit dem oberen Bereich der Hauptkammer 32 und über eine druckseitige Rohrleitung
34 mit dem unteren Bereich der Hauptkammer in Verbindung.
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Die Saugleitung 33 ist durch den Wärmetauscher 29 durchgeführt und
wir über letzteren von dem Sekundärkühlmittel gekühlt. Der Umlauf des Primärkühlmittels
und die geeignete Führung der Kühlmittelströmung über die zu kühlenden Bauelemente
des Leitungsteils 1 kann derjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 entsprechen.
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In Fig. 4 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
ohne Sekundärkühlkreislauf gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfoUt eine Zwangsumwälzung
des im Innenraum .10 des druckfesten Gehäuses Iln befindlichen Kühlmittels etwa
in Richtung der gestrichelten Pfeile 26 mittels eines Flügel rades 40, das in dem
dargestellten Ausführunqsbeispiel durch einen Hydraulikmotor 41 von außen angetrieben
ist. Die Strömung 26 verläuft von dem Flügelrad 40 zunächst etwa waagerecht und
tritt in Teilströmen durch Öffnungen 42 zur Rückseite einer horizontal angeordneten
Trägerplatte 43 für den Leistungsteil 1. Von dort aus wird das Kühlmittel von dem
Flügelrad 40 in den unteren
Bereich des Gehäuseinnenraums 10 zurückleitet.
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In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der neuen Drehzahlverstellvorrichtung
für den Einsatz in Grubenbauen bildet das Gehäuse 11, 11' bzw. 11" eine druckfeste
Verkapselung in explosionsgeschützter Ausführung der Schutzarten schon und "Ex".
Aufgrund der Flüssigkeitskühlung kann das Gehäuse in jedem Fall eine relativ kompakte
Bauform erhalten, und es findet eine intensive Wärmeabfuhr von den Bauelementen
12 des Leistungsteils 1 statt, wodurch selbst höchste Leistungen von beispielsweise
500 kW mit der Drehzahlverstellvorrichtung beherrschbar sind. Der Steuer- und Regelteil
5 kann gegebenenfalls in einem gesonderten druckfesten Gehäuse angeordnet sein,
da seine Bauelemente wegen der geringen Steuerleistung liner besonderen Kühlmaßnahmen
bedürfen. Die Drehzahl des Motors M (Fig. 1) kann durch einen in Fig. 1 schematisch
dargestellten Einsteller E eingestellt werden, wodurch die Antriebsgeschwindigkeit
bzw. -drehzahl jeweils den betrieblichen Erfordernissen angepaßt und vor allem bei
Einsatz der Drehzahlverstellvorrichtung als Antrieb für Kettenförderer die Lärmbelastung
beim Betrieb des Förderers ohne Beladung beliebig weit herabgesetzt werden kann.